Alors que le monde se tourne vers les véhicules électriques pour remplacer les voitures et les camions à essence, certains véhicules tels que les camions long-courriers et les avions auront besoin d’un pont entre le gaz et l’électricité.
Le gaz naturel pourrait être une alternative viable. Il est largement disponible et brûle plus proprement que l’essence. Il existe même des kits de conversion déjà disponibles pour permettre à vos voitures particulières ou camions long-courriers de fonctionner au gaz naturel, explique Adam Matzger, professeur de chimie à l’Université du Michigan.
« Le gaz naturel est partout, et il est considéré comme une sorte de tremplin pour passer de l’essence à l’électricité ou à l’hydrogène », a-t-il déclaré. « Le principal problème, c’est le stockage. Le coût est bon. La distribution est bonne. Le stockage est le problème. »
Matzger, qui étudie un matériau appelé cadres organométalliques (MOF), pense qu’ils pourraient avoir un potentiel inexploité pour stocker le méthane, le plus grand composant du gaz naturel.
Les MOF sont des structures rigides et poreuses composées de métaux liés par des ligands organiques. Le méthane peut être stocké dans un MOF par un processus appelé adsorption. En adsorption, les molécules d’une substance s’accrochent à la surface d’un matériau permettant un stockage à basse pression.
Matzger a travaillé avec Alauddin Ahmed, chercheur assistant en génie mécanique à l’UM College of Engineering, pour scanner près d’un million de MOF qui ont déjà été développés pour trouver des matériaux qui pourraient avoir les bonnes caractéristiques pour stocker le méthane. Ils en ont trouvé deux qui n’avaient pas été testés auparavant, dont l’un avait été créé par coïncidence dans le laboratoire de Matzger. Leurs résultats sont publiés dans Angewandte Chemieun journal de la Société allemande de chimie.
Le problème avec le gaz naturel est qu’il doit être stocké sous très haute pression, soit environ 700 fois la pression atmosphérique. Le stockage du gaz naturel sous ce genre de pression nécessite des équipements spécialisés et une grande quantité d’énergie.
« Il y a un autre petit inconvénient, c’est que si vous allez réellement l’utiliser dans un véhicule, vous n’allez pas le retirer de la haute pression et le ramener à zéro », a déclaré Matzger. « Parce que lorsque la pression devient trop basse, vous ne pouvez pas faire fonctionner le moteur du véhicule. Vous devez donc en fait examiner la capacité utilisable. »
Pour rendre le méthane utilisable, les scientifiques devaient trouver le meilleur matériau capable à la fois de stocker le méthane à une pression plus basse et de le recycler jusqu’au niveau de pression requis par le moteur du véhicule. Cela signifiait un cycle entre 80 fois la pression atmosphérique et environ cinq fois la pression atmosphérique.
« L’idée est qu’en ayant un adsorbant dans un réservoir, vous pouvez stocker plus de méthane à des pressions plus basses que vous ne le pourriez sans l’absorbant, car cela aide à s’accrocher au méthane à des pressions plus basses », a déclaré Matzger. « Alors le problème se résume à choisir un adsorbant, et c’est là que la théorie est vraiment venue à la rescousse. »
Le chercheur adjoint Ahmed se spécialise dans le développement d’algorithmes pour prédire les propriétés des composés chimiques et des matériaux nanoporeux – des matériaux tels que les MOF qui ont la capacité de stocker des molécules – et en utilisant le criblage informatique pour identifier des matériaux nanoporeux particuliers. Il a développé une méthode pour filtrer une base de données principale des 1 000 000 MOF qu’il a compilés à partir de 21 bases de données différentes.
« La raison pour laquelle ce matériau est important, c’est parce que d’un point de vue chimique, vous pouvez concevoir un nombre infini de ces MOF », a déclaré Ahmed. « Donc la question est, si le nombre est infini, comment trouver un bon matériau ? C’est un peu comme trouver une aiguille dans une botte de foin – en fait, c’est plus difficile que ça. »
Ahmed a utilisé deux méthodes différentes pour dépister deux classes différentes de MOF. Une classe de MOF a ce qu’on appelle un site métallique fermé. Une autre classe de MOF s’est avérée avoir un site métallique ouvert, mais seulement une fois que les chercheurs ont nettoyé par ordinateur les molécules d’eau de l’intérieur de la structure de ces MOF.
Les chercheurs de l’UM ont pu rechercher des MOF avec un site métallique ouvert – plus invitant aux molécules de méthane – sur la base d’un algorithme développé par Don Siegel, professeur de génie mécanique à l’Université du Texas.
« Auparavant, lorsque les chercheurs recherchaient des MOF pour stocker le méthane, ils ne séparaient pas ces deux classes de MOF », a déclaré Ahmed. « L’avantage de notre modélisation est que nous avons deux modèles distincts. Nous avons séparé les composés avec des sites métalliques fermés de ceux avec des sites métalliques ouverts, qui ont une plus grande affinité pour ces molécules de méthane. »
L’équipe a découvert trois MOF qui fonctionneraient bien pour stocker le méthane, dont l’un que le laboratoire de Matzger avait développé par coïncidence. Le boursier postdoctoral Karabi Nath a pu synthétiser les matériaux avec une grande surface et a découvert que leurs capacités expérimentales en méthane correspondaient à ce que la théorie avait prédit. Les MOF – UTSA-76, UMCM-152 et DUT-23-Cu – fonctionnent bien car ils ont de nombreux petits pores qui peuvent attirer les molécules de gaz à l’intérieur.
Matzger envisage un réservoir à l’intérieur d’un camion rempli de ces MOF. Actuellement, les voitures et les camions convertis pour fonctionner au gaz naturel utilisent des réservoirs coûteux conçus pour stocker du gaz de moins de 10 000 livres par pouce carré, ou PSI. Au lieu de cela, les conducteurs pourraient utiliser un réservoir à pression inférieure rempli d’UMCM-152 ou l’un des deux autres MOF identifiés.
« Ce qui distingue cette étude, c’est que nous avons établi le record de stockage de méthane. Ces MOF sont meilleurs que tout autre matériau de stockage de méthane précédemment identifié, et cela nous aide donc à déterminer si nous nous rapprochons d’un système pratique », dit Matzger.
« Mais ce qui ne cesse de me faire rire, c’est que l’un des MOF idéaux était juste sous notre nez et nous ne le savions pas. C’est là que la théorie, sans aucun doute, nous a mis dans la bonne direction. »
Karabi Nath et al, Identification informatique et démonstration expérimentale d’absorbants de méthane à haute performance, Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI : 10.1002/anie.202203575