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Une équipe de chercheurs de l’université de Stanford et de l’université de Louvain, en Belgique, a élucidé un processus qui pourrait constituer une étape importante vers une économie de carburant à base de méthanol avec du méthane en abondance comme matière première, une avancée qui pourrait changer fondamentalement la façon dont le monde utilise ce gaz naturel.

Le méthanol un futur carburant

Le méthanol – l’alcool le plus simple – est utilisé pour fabriquer divers produits, comme les peintures et les plastiques, et comme additif à l’essence. Riche en hydrogène, le méthanol peut alimenter des piles à combustible d’un genre nouveau qui pourraient présenter des avantages considérables pour l’environnement.

Si le gaz naturel, dont le méthane est le principal composant, pouvait être converti de manière économique en méthanol, le carburant liquide qui en résulterait serait beaucoup plus facile à stocker et à transporter que le gaz naturel et l’hydrogène pur.

Cela permettrait également de réduire les émissions de méthane provenant des usines de traitement du gaz naturel et des pipelines. Aujourd’hui, la fuite de méthane, un gaz à effet de serre plusieurs fois plus puissant que le dioxyde de carbone, annule presque les avantages environnementaux du gaz naturel par rapport au pétrole et au charbon. La nouvelle étude de l’équipe, est la dernière en date à proposer une méthode à faible consommation d’énergie pour produire du méthanol à partir du méthane.

Des cristaux de zéolites de fer

« Ce processus utilise des cristaux connus sous le nom de zéolites de fer qui sont connus pour convertir le gaz naturel en méthanol à température ambiante », explique Benjamin Snyder, qui a obtenu son doctorat à Stanford en étudiant les catalyseurs pour répondre aux facettes-clés de ce défi. « Mais il s’agit d’une chimie extrêmement difficile à réaliser sur le plan pratique, car le méthane est chimiquement inerte et tenace. »

Lorsque le méthane est infusé dans des zéolites de fer poreuses, le méthanol est rapidement produit à température ambiante, sans chaleur ni énergie supplémentaires. En comparaison, le procédé industriel classique de fabrication de méthanol à partir de méthane nécessite des températures de 1000°C et une pression extrêmement élevée.

« C’est un procédé économiquement alléchant, mais ce n’est pas si facile. Des obstacles importants empêchent la mise à l’échelle de ce processus à des niveaux industriels », a déclaré Edward Solomon, professeur de chimie à Stanford et auteur principal de cette étude.

Maintenir les zéolites

Malheureusement, la plupart des zéolithes de fer se désactivent rapidement. Incapables de traiter davantage de méthane, le processus s’arrête. Les scientifiques se sont mis à étudier les moyens d’améliorer les performances des zéolithes de fer. Cette nouvelle étude, cosignée par Hannah Rhoda, candidate au doctorat en chimie inorganique à Stanford, utilise la spectroscopie avancée pour explorer la structure physique des zéolites les plus prometteuses pour la production de méthane et de méthanol.

En choisissant deux zéolites ferreuses, l’équipe a étudié la structure physique des réseaux autour du fer. Ils ont découvert que la réactivité varie considérablement en fonction de la taille des pores de la structure cristalline environnante. L’équipe appelle cela « l’effet cage », car le réseau d’encapsulation ressemble à une cage.

Si les pores de ces cages sont trop grands, le site actif se désactive après un seul cycle de réaction et ne se réactive plus jamais. En revanche, lorsque les ouvertures de ces pores sont plus petites, elles coordonnent une danse moléculaire précise entre les réactifs et les sites actifs en fer – une danse qui produit directement du méthanol et régénère le site actif. En tirant parti de cet effet « cage », l’équipe a pu réactiver 40 % des sites désactivés de manière répétée, ce qui constitue une avancée conceptuelle significative vers un processus catalytique à l’échelle industrielle.

« Le cycle catalytique – la réactivation continue des sites régénérés – pourrait un jour conduire à la production continue et économique de méthanol à partir du gaz naturel », a déclaré Snyder.

Cette avancée fondamentale dans la science de base aidera à élucider, pour les chimistes et les ingénieurs chimistes, le processus utilisé par les zéolithes de fer pour produire du méthanol à température ambiante, mais il reste encore beaucoup à faire avant qu’un tel processus puisse être industrialisé.

Un processus utilisant l’air ambiant plutôt qu’une autre source d’oxygène

La prochaine étape sur la liste de Snyder : s’attaquer à la réalisation du processus non seulement à température ambiante mais aussi en utilisant l’air ambiant plutôt qu’une autre source d’oxygène, comme le protoxyde d’azote qui est utilisé dans ces expériences. L’utilisation d’un agent oxydant aussi impressionnant que l’oxygène, qui est notoirement difficile à contrôler dans les réactions chimiques, constituera un autre obstacle de taille.

Pour l’instant, Snyder a été à la fois heureux et impressionné par le pouvoir d’illustration des instruments spectroscopiques sophistiqués des laboratoires de Solomon qui ont été utilisés pour cette étude. Ces instruments ont été d’une aide précieuse pour sa compréhension de la chimie et des structures chimiques impliquées dans le processus de transformation du méthane en méthanol.

« C’est cool de voir comment on peut obtenir des informations très impressionnantes au niveau atomique, comme l’effet cage, à partir de ces outils qui n’étaient pas disponibles pour les générations précédentes de chimistes », a déclaré M. Snyder.

Cette recherche a été publiée dans Science.

Source : Stanford University
Crédit photo : iStock