Une paire de chercheurs de l’Université de Floride centrale a développé de nouvelles méthodes pour produire de l’énergie et des matériaux à partir du gaz à effet de serre nocif, le méthane.
Livre pour livre, l’impact comparatif du méthane sur l’atmosphère terrestre est 28 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone – un autre gaz à effet de serre majeur – sur une période de 100 ans, selon l’Agence américaine de protection de l’environnement.
En effet, le méthane est plus efficace pour piéger les radiations, bien qu’il ait une durée de vie dans l’atmosphère plus courte que le dioxyde de carbone.
Les principales sources d’émissions de méthane comprennent l’énergie et l’industrie, l’agriculture et les décharges.
Les nouvelles innovations UCF permettent d’utiliser le méthane dans la production d’énergie verte et de créer des matériaux hautes performances pour les appareils intelligents, la biotechnologie, les cellules solaires, etc.
Les inventions proviennent de la nanotechnologiste Laurene Tetard et de l’expert en catalyse Richard Blair, qui sont des collaborateurs de recherche à l’UCF depuis 10 ans.
Tetard est professeur agrégé et directeur associé du département de physique de l’UCF et chercheur au NanoScience Technology Center, et Blair est professeur de recherche au Florida Space Institute de l’UCF.
Une technologie meilleure et plus propre pour produire de l’hydrogène
La première invention est un procédé pour produire de l’hydrogène à partir d’hydrocarbures, tels que le méthane, sans libérer de gaz carbonique.
En utilisant la lumière visible, telle qu’un laser, une lampe ou une source solaire, et des photocatalyseurs riches en bore, l’innovation met en évidence une nouvelle fonctionnalité des matériaux à l’échelle nanométrique pour la capture assistée par la lumière visible et la conversion d’hydrocarbures comme le méthane. L’ingénierie des défauts fait référence à la création de matériaux de structure irrégulière.
L’invention UCF produit de l’hydrogène qui est exempt de contaminants, tels que des composés polyaromatiques supérieurs, du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone, qui sont courants dans les réactions effectuées à des températures plus élevées sur des catalyseurs conventionnels.
Le développement peut potentiellement réduire le coût des catalyseurs utilisés pour créer de l’énergie, permettre une plus grande conversion photocatalytique dans la gamme visible et permettre une utilisation plus efficace de l’énergie solaire pour la catalyse.
Les applications commerciales incluent la production possible à grande échelle d’hydrogène dans les fermes solaires et la capture et la conversion du méthane.
« Cette invention est en fait un double », dit Blair. « Vous obtenez de l’hydrogène vert et vous éliminez – pas vraiment séquestrez – le méthane. Vous transformez le méthane en hydrogène et en carbone pur qui peuvent être utilisés pour des choses comme les batteries. »
Il dit que la production traditionnelle d’hydrogène utilise des températures élevées avec du méthane et de l’eau, mais en plus de l’hydrogène, ce processus génère également du dioxyde de carbone.
« Notre processus prend un gaz à effet de serre, le méthane, et le convertit en quelque chose qui n’est pas un gaz à effet de serre et deux choses qui sont des produits précieux, l’hydrogène et le carbone », explique Blair. « Et nous avons retiré le méthane du cycle. »
Il a noté qu’au laboratoire Exolith de l’UCF, ils étaient capables de générer de l’hydrogène à partir de méthane en utilisant la lumière du soleil en plaçant le système sur un grand concentrateur solaire.
Sachant cela, il dit que les pays qui ne disposent pas de sources d’énergie abondantes pourraient utiliser l’invention car tout ce dont ils auraient besoin est du méthane et de la lumière du soleil.
Outre les systèmes de pétrole et de gaz naturel, le méthane existe dans les décharges, les zones industrielles et agricoles et les sites de traitement des eaux usées.
Cultiver des nano/microstructures de carbone sans contaminants
Cette technologie développée par Tetard et Blair est une méthode de production de structures nanométriques et micrométriques de carbone aux dimensions contrôlées. Il utilise la lumière et un photocatalyseur conçu par défaut pour créer des structures nanométriques et micrométriques bien définies à motifs à partir de nombreuses sources de carbone. Les exemples incluent le méthane, l’éthane, le propane, le propène et le monoxyde de carbone.
« C’est comme avoir une imprimante 3D carbone au lieu d’une imprimante 3D polymère », explique Tetard. « Si nous avons un outil comme celui-ci, alors peut-être qu’il y a même des conceptions d’échafaudages en carbone que nous pouvons proposer qui sont impossibles aujourd’hui. »
Blair dit que le rêve est de fabriquer des matériaux en carbone haute performance à partir de méthane, ce qui n’est actuellement pas très bien fait en ce moment, dit-il.
« Ainsi, cette invention serait un moyen de fabriquer de tels matériaux à partir de méthane de manière durable à grande échelle industrielle », déclare Blair.
Les structures de carbone produites sont petites mais bien structurées et peuvent être disposées avec précision, avec des tailles et des motifs précis.
« Maintenant, vous parlez d’applications à fort coût, peut-être pour des dispositifs médicaux ou de nouveaux capteurs chimiques », déclare Blair. « Cela devient une plate-forme pour développer toutes sortes de produits. L’application n’est limitée que par l’imagination. »
Étant donné que le processus de croissance est réglable à différentes longueurs d’onde, les méthodes de conception pourraient incorporer divers lasers ou illuminations solaires.
Le laboratoire de Tetard, qui travaille à l’échelle nanométrique, tente maintenant d’en réduire la taille.
« Nous essayons de penser à un moyen d’apprendre du processus et de voir comment nous pourrions le faire fonctionner même à des échelles plus petites – contrôler la lumière dans un volume minuscule », dit-elle.
« En ce moment, la taille des structures est microscopique car le volume focal lumineux que nous créons est microscopique », dit-elle. « Donc, si nous pouvons contrôler la lumière dans un volume minuscule, nous pouvons peut-être développer des objets de taille nanométrique pour des nanostructures à motifs mille fois plus petites. C’est quelque chose que nous envisageons de mettre en œuvre à l’avenir. Et puis, si cela devient possible, il y a beaucoup de choses que nous pouvons faire avec ça. »
Une technologie meilleure et plus propre pour produire du carbone
La meilleure technologie plus propre des chercheurs pour produire de l’hydrogène a en fait été inspirée par une de leurs méthodes innovantes antérieures qui fabriquent du carbone à partir de nitrure de bore modifié en utilisant la lumière visible.
Ils ont découvert une nouvelle façon de produire du carbone et de l’hydrogène grâce à un craquage chimique d’hydrocarbures avec de l’énergie fournie par un couplage de lumière visible avec un catalyseur sans métal, le nitrure de bore à défaut d’ingénierie.
Comparé à d’autres méthodes, c’est mieux parce qu’il ne nécessite pas beaucoup d’énergie, de temps ou de réactifs spéciaux ou de précurseurs qui laissent des impuretés.
Il ne reste que du carbone et quelques traces de bore et d’azote, dont aucun n’est toxique pour l’homme ou l’environnement.
La technologie de transformation photochimique se prête à de nombreuses applications, notamment des capteurs ou de nouveaux composants pour la nanoélectronique, le stockage d’énergie, les dispositifs quantiques et la production d’hydrogène vert.
Forte collaboration
En tant que collaborateurs de recherche de longue date, Tetard et Blair ne connaissent que trop bien le vieil adage : « Si au début vous ne réussissez pas, essayez, essayez à nouveau.
« Il a fallu un certain temps pour obtenir des résultats vraiment excitants », déclare Tetard. « Au début, une grande partie de la caractérisation que nous avons essayé de faire ne fonctionnait pas comme nous le souhaitions. Nous nous sommes assis pour discuter d’observations déroutantes tant de fois. »
Pourtant, ils ont avancé et leur persévérance a porté ses fruits avec leurs nouvelles inventions.
« Richard a un million d’idées différentes sur la façon de résoudre les problèmes », déclare Tetard. « Alors finalement, nous trouverions quelque chose qui fonctionne. »
Elle et Blair ont uni leurs forces peu de temps après leur rencontre en 2013 au département de physique de l’UCF. Blair venait de découvrir des propriétés catalytiques dans le composé chimique nitrure de bore qui étaient « inouïes » et voulait publier les informations et faire plus de recherches.
Il avait un collaborateur pour la modélisation théorique, Talat Rahman, un éminent professeur Pegasus au Département de physique, mais il avait besoin de quelqu’un pour aider à caractériser les résultats.
« Au niveau de la caractérisation, ce n’est pas là que se trouve ma force », dit-il. « J’ai des atouts qui complètent les atouts de Laurene. Il était logique de voir si nous pouvions faire quelque chose ensemble et si elle pouvait ajouter un aperçu de ce que nous voyions. »
Ainsi, en collaboration avec Rahman et la US National Science Foundation, ils espéraient acquérir une compréhension moléculaire des propriétés catalytiques chargées de défauts, du nitrure de bore hexagonal (à structure cristalline), un catalyseur sans métal.
Les catalyseurs typiques sont souvent constitués de métaux, et le nitrure de bore, parfois appelé « graphite blanc », a eu de nombreuses utilisations industrielles en raison de ses propriétés glissantes, mais pas pour la catalyse.
« Jusqu’à notre arrivée, ce type de nitrure de bore était considéré comme simplement inerte », explique Blair. « Peut-être un lubrifiant, peut-être pour les cosmétiques. Mais il n’avait aucune utilisation chimique. Cependant, grâce à l’ingénierie des défauts, l’équipe de recherche a découvert que le composé avait un grand potentiel pour produire du carbone et de l’hydrogène vert, peut-être en grande quantité. »
La technologie développée par l’équipe pour fabriquer du carbone à partir de nitrure de bore à partir de défauts d’ingénierie utilisant la lumière visible est apparue de manière inattendue.
Blair dit que pour analyser la surface du catalyseur, ils le placeraient dans un petit récipient, le pressuriseraient avec un gaz d’hydrocarbure, tel que le propène, puis l’exposeraient à la lumière laser.
« Chaque fois, il a fait deux choses qui étaient frustrantes », dit-il. « Le catalyseur lui-même a émis de la lumière qui a obscurci toutes les données dont nous avions besoin, et l’étudiant n’arrêtait pas de dire, ‘il brûle’ et je dirais que c’est impossible. Il n’y a pas de carbone sur le catalyseur. »
« Et il n’y avait pas d’oxygène », ajoute Tetard. Ils étaient perplexes.
« Si nous voulions étudier ce point brûlant, il fallait qu’il soit plus grand », dit-elle.
Une fois qu’ils ont réussi à produire un échantillon plus grand, ils l’ont placé sous le microscope électronique.
« Nous avons commencé à voir quelques lignes, mais c’est une poudre lâche et salissante, donc elle ne devrait pas être commandée », a déclaré Tetard. « Mais lorsque nous avons zoomé un peu plus, nous avons vu du carbone et beaucoup de carbone, avec la poudre de nitrure de bore d’ingénierie défectueuse accrochée au sommet. »
Ce qui était considéré comme un problème était en fait fortuit, car la découverte permettrait la production d’hydrogène à basse température et la production de carbone comme sous-produit sans rejet de gaz à effet de serre ou de polluants.