Une équipe de recherche a publié un article de synthèse résumant les progrès récents dans la conversion du méthane par photocatalyse. La photocatalyse, processus consistant à utiliser la lumière pour accélérer une réaction chimique, offre une technologie verte et prometteuse pour la conversion du méthane en carburants et produits chimiques de grande valeur. Dans leur article, l’équipe détaille les progrès réalisés dans l’utilisation de photocatalyseurs pour la conversion du méthane et souligne les défis qui restent à relever.
L’équipe a publié ses conclusions dans un article de synthèse en L’avenir du carbone.
La voie commerciale actuelle pour la transformation à grande échelle du méthane implique la conversion indirecte via le gaz de synthèse. Le méthane étant stable et inerte, l’activation et la conversion de la molécule sont extrêmement difficiles. Le processus commercial actuel implique une consommation d’énergie élevée et un dégagement de dioxyde de carbone.
« Le passage à la conversion du méthane par des émissions nettes de dioxyde de carbone nulles est une tâche cruciale à la fois pour la recherche scientifique et l’industrie, car cela produira des produits chimiques de grande valeur sans conséquences potentiellement catastrophiques », a déclaré Junwang Tang, professeur à l’University College de Londres. Contourner la voie du gaz de synthèse et utiliser la photocatalyse pour convertir le méthane en hydrocarbures et composés oxygénés précieux offre une alternative verte, car la photocatalyse est supérieure pour activer et convertir le méthane inerte en hydrocarbures et composés oxygénés dans des conditions douces.
Le méthane est un carburant relativement propre et peu coûteux. On le trouve en abondance dans le gaz de schiste et l’hydrate de méthane du monde entier. Le méthane peut également être généré naturellement à partir de biosystèmes et artificiellement à partir de la biomasse. Cette abondance le rend attrayant pour une utilisation dans la production d’électricité et le chauffage résidentiel. Parmi les carburants conventionnels, le méthane a une valeur calorique élevée et est facilement transporté par canalisations. Cependant, en tant que gaz à effet de serre, le méthane a un pouvoir de réchauffement planétaire plus élevé que le dioxyde de carbone.
Sur une période de 100 ans, le méthane réchauffe la Terre au moins 25 fois plus que la masse équivalente de dioxyde de carbone. Dans l’industrie, le méthane est largement utilisé comme matière première, produisant des produits chimiques, des engrais et de l’hydrogène. En 2021, l’industrie américaine a utilisé environ 33 % du gaz naturel total. Le gaz naturel est également la source d’énergie d’environ 33 pour cent de l’industrie américaine.
Le méthane est donc actuellement utilisé non seulement comme carburant, mais également comme source chimique fondamentale. La dépendance continue de la société au méthane pour répondre à ses besoins énergétiques croissants a des conséquences négatives sur l’environnement. Les scientifiques doivent développer une technologie permettant de convertir le méthane en produits chimiques carbonés plus utiles et de grande valeur par un processus à faible teneur en carbone ou sans carbone.
Contrairement à la catalyse thermique, qui implique des températures de réaction élevées, supérieures à 400 °C, ou des oxydants coûteux, la photocatalyse utilise la lumière solaire ou des sources de lumière artificielle comme seul apport d’énergie. La photocatalyse peut oxyder sélectivement le méthane en hydrocarbures C2+ ou en composés oxygénés à l’aide d’oxydants peu coûteux et respectueux de l’environnement, tels que l’eau et l’oxygène à basse température.
L’équipe note que la photocatalyse n’est pas sans inconvénients à l’heure actuelle. Ceux-ci incluent son faible taux de rendement et sa conversion limitée en produits de plus grande valeur. « En outre, une plus grande attention devrait être accordée aux produits de plus grande valeur, ce qui reste un défi important dans ce domaine », a déclaré Tang.
Pour l’avenir, l’équipe concentrera ses efforts sur l’augmentation du taux de conversion du méthane et sur la conversion du méthane en produits plus précieux en concevant des photocatalyseurs hautement efficaces avec des sites de réaction actifs, ainsi qu’en optimisant le système de réaction. « Notre objectif ultime est de produire les sept produits chimiques les plus élémentaires par conversion photocatalytique du méthane », a déclaré Tang.
Si l’équipe parvient à atteindre cet objectif, une partie considérable de produits chimiques tels que les composés oxygénés, les hydrocarbures et les polymères pourraient être obtenus grâce au processus à faible teneur en carbone de conversion photocatalytique du méthane. « Cela pourrait réduire considérablement la consommation d’énergie et les émissions de dioxyde de carbone lors de la production des principaux produits chimiques », a déclaré Tang.
Plus d’information:
Youxun Xu et al, Conversion photocatalytique du méthane en produits chimiques de grande valeur, L’avenir du carbone (2023). DOI : 10.26599/CF.2023.9200004
Fourni par Tsinghua University Press