Un laser fait la lumière sur les catalyseurs

Dans nos voitures ou dans l'industrie chimique, les catalyseurs sont omniprésents. Pourtant, la réaction chimique est mal comprise. Une découverte faite à l'EPFL (Ecole Polytechique Fédérale de Lausanne) pourrait permettre de faire la lumière sur un domaine aux enjeux économiques et écologiques considérables.

Omniprésent dans l'industrie, ce phénomène chimique est étonnamment mal connu. Production de matières plastiques, conversion de gaz naturel en hydrogène, voire même synthèse de la margarine... Ce ne sont que quelques exemples de procédés faisant appel à un catalyseur. L'application la plus connue du grand public reste cependant le pot catalytique, qui s'est imposé dans nos véhicules. Des chercheurs de l'EPFL ont publié dans Science une découverte qui devrait permettre de mieux comprendre le processus. Ce travail pourrait ouvrir la voie à de nouvelles techniques plus performantes ou moins onéreuses.

L'un des types les plus courants de catalyse fait intervenir un gaz et un solide –on la désigne sous le terme de "catalyse hétérogène". Par exemple dans les pots d'échappement de nos voitures: les émanations nocives sont transformées au contact d'une surface de platine ou de palladium. Le processus est bien connu, mais au niveau moléculaire le mécanisme reste obscur.

Grâce au laser, une réaction 10 000 fois plus rapide

Les chercheurs de l'EPFL se sont penchés sur une catalyse hétérogène. Le méthane, mélangé à de la vapeur d'eau, se transforme en hydrogène et en CO2 au contact d'une surface de nickel. Avec un puissant laser, les chimistes on pu exciter et orienter les molécules de gaz – un peu comme avec un joystick. Surprise: le procédé démultiplie l'efficacité de la réaction. "L'amélioration est impressionnante, commente Rainer Beck, en charge du projet à l'EPFL. Avec le laser, la rapidité de la catalyse est augmentée par un facteur allant de 1000 à 10 000 !"

Cette observation va à l'encontre de la théorie communément admise au sein du monde scientifique. En effet, on considère généralement que seule une augmentation de l'énergie – de la chaleur – du gaz peut accélérer la réaction. Cette découverte démontre que notre compréhension du phénomène est assez sommaire, selon Rainer Beck. "Pour construire des catalyseurs performants, on privilégie une méthode basée sur des essais successifs plutôt que sur une conception en amont, parce que nous ne comprenons pas comment le processus marche dans les détails."

Des enjeux environnementaux et industriels

La transformation du méthane présente un grand intérêt environnemental. En effet ce gaz, massivement utilisé comme combustible, dégage une importante quantité de CO2. "Nous pourrions imaginer le transformer sur les sites de captage, ce qui nous permettrait alors de capter le CO2 à la source et de nous servir de l'hydrogène, un combustible qui ne rejette que de l'eau." Le procédé mis au point à l'EPFL ne peut pas s'appliquer à une échelle industrielle. Mais les travaux de Rainer Beck laissent entrevoir de futures améliorations.

L'intérêt de la découverte ne s'arrête pas là. Un nombre important de catalyses pourraient être également concernées. Dans l'industrie chimique, plus de 90% des procédés font intervenir une catalyse à un moment ou un autre. Rainer Beck reprend l'exemple de la voiture: "Pour l'instant, on utilise du platine ou du palladium, des métaux rares et coûteux. Si nous sommes capables de mieux comprendre ce qui se passe, cela pourrait nous permettre de trouver une solution impliquant des matériaux meilleurs marché."