De l'argent pour une valorisation plus douce du méthane

Publié par Isabelle le 07/07/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Sous forme de gaz naturel ou de biogaz, le méthane est généralement brûlé pour produire de la chaleur, ce qui libère différentes molécules à fort effet de serre. Il peut à la place être transformé en éthane, afin de fabriquer des polymères, mais cette réaction consomme beaucoup d'énergie et laisse de nombreux déchets.

Des chimistes de l'UCCS (CNRS/Université de Lille/Université Artois/Centrale Lille Institut), du GPM (CNRS/Université Rouen Normandie/INSA Rouen) et l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Keele (Royaume-Uni) ont donc développé un nouveau système, à base de catalyseurs d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.). Ces travaux, publiés dans Nature Energy, permettent d'obtenir de l'éthane à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) ambiante et avec moins de 10 % de déchets.


Le principe de la boucle photochimique qui permet de convertir du méthane en éthane. © Andrei Khodakov.

Extrêmement répandu sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), le méthane est un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas...) vingt-cinq fois plus important que le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène...) (CO2). Extrait du sol ou issu de la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) de matières organiques, le méthane est principalement brûlé pour du chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) ou la production d'énergie. Il pollue moins que le charbon ou le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le pétrole fournit...), mais libère tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) de même de grandes quantités de CO2. Face à ce problème, d'autres pistes sont explorées pour valoriser ce gaz, comme le transformer en éthane, puis en éthylène. Cette brique essentielle de l'industrie chimique sert à concevoir de nombreux polymères. Le procédé classique de passage du méthane à l'éthylène demande cependant une température d'environ 1000 degrés, plusieurs étapes et laisse beaucoup de déchets, sous forme de coke (un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une...) obtenu par pyrolyse du charbon) et de CO2.

Des chercheurs de l'Unité de catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur,...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) du solide (UCCS, CNRS/Université de Lille/Université de l'Artois/Centrale Lille Institut), du Groupe de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (GPM, CNRS/Université Rouen Normandie/INSA Rouen) et l'université de Keele (Royaume-Uni) proposent une approche plus douce où des catalyseurs nanocomposites permettent d'obtenir cette réaction à température ambiante et avec moins de 10 % de déchets.

Ces nanocomposites, à base de l'argent et d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne...) de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), sont utilisés dans le cadre d'une boucle photochimique. Lors de la première étape, la réaction, le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de...) nanocomposite transforme une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) de méthane en éthane. Les nanocomposites noircissent d'ailleurs progressivement au contact de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...), un phénomène qui rappelle les principes de la photographie argentique. Ensuite, pendant la régénération, la lumière et l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) réactivent les nanocomposites et l'opération peut être répétée jusqu'à épuisement du méthane. Les chercheurs ont également remarqué que plus il y a d'argent, plus le rendement en éthane est élevé. L'équipe va à présent tenter d'étendre ce principe à la conversion du méthane en d'autres produits chimiques que l'éthane.


En haut à gauche, en noir et blanc: Image de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...) électronique à transmission du nanocomposite. En couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).): Cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un...) de la composition chimique du nanocomposite à partir de la microanalyse par Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dispersive de rayons X (EDX). © Andrei Khodakov

Référence:
Xiang Yu, Vladimir L. Zholobenko, Simona Moldovan, Di Hu, Dan Wu, Vitaly V. Ordomsky & Andrei Y. Khodakov. Stoichiometric methane conversion to ethane using photochemical looping at ambient temperature. Nature Energy (2020).
https://doi.org/10.1038/s41560-020-0616-7

Contacts:
- Andrei Khodakov - Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS) - UMR8181
- Vitaly Ordomsky - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) en chimie - Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS)
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de chimie du CNRS
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