Le méthanol, produit à partir du dioxyde de carbone dans l’air, peut être utilisé pour fabriquer des carburants neutres en carbone. Mais pour cela, il faut mieux comprendre le mécanisme de transformation du méthanol en hydrocarbures liquides afin d’optimiser le processus catalytique. Aujourd’hui, grâce à des techniques analytiques sophistiquées, des chercheurs de l’ETH Zürich et de l’Institut Paul Scherrer ont acquis une connaissance sans précédent de ce mécanisme complexe.
Alors que nous luttons pour jongler entre l’impact des émissions et notre désir de maintenir notre mode de vie énergivore, l’utilisation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère pour créer de nouveaux carburants est une alternative passionnante et neutre en carbone. Une façon d’y parvenir est de créer du méthanol à partir du dioxyde de carbone dans l’air, en utilisant un processus appelé hydrogénation. Ce méthanol peut ensuite être transformé en hydrocarbures. Bien que ceux-ci soient ensuite brûlés, libérant du dioxyde de carbone, celui-ci est équilibré par le dioxyde de carbone capturé pour fabriquer le carburant.
Pour développer pleinement ce carburant durable, une meilleure compréhension du mécanisme par lequel le méthanol – dans une réaction catalysée par les zéolithes, des matériaux solides aux architectures poreuses uniques – est transformé en hydrocarbures à longue chaîne, est nécessaire. Dans cette optique, dans le cadre du NCCR Catalysis, un Pôle de recherche national suisse, des chercheurs de l’ETH Zürich se sont associés à des chercheurs du Paul Scherrer Institut PSI pour révéler les détails de ce mécanisme de réaction, dont les résultats sont publiés dans la revue Catalyse naturelle.
« L’information est essentielle pour développer des catalyseurs plus sélectifs et stables », explique Javier Pérez-Ramírez, professeur d’ingénierie de la catalyse à l’ETH Zürich et directeur du NCCR Catalysis, qui a codirigé l’étude. « Avant notre étude, malgré de nombreux efforts, les principaux aspects mécanistes de la transformation complexe du méthanol en hydrocarbures n’étaient pas bien compris. »
Les chercheurs se sont intéressés à comparer le procédé méthanol en hydrocarbures avec un autre procédé : celui de transformer le chlorure de méthyle en hydrocarbures. Les raffineries de pétrole brûlent fréquemment de grandes quantités de gaz naturel riche en méthane indésirable. Cette activité polluante et gaspilleuse se traduit par les torchères typiques associées aux raffineries de pétrole. « La transformation du chlorure de méthyle en hydrocarbures est une sorte de technologie de pont », explique Pérez-Ramírez. « Bien sûr, nous aimerions nous éloigner des combustibles fossiles, mais en attendant, ce serait un moyen d’éviter de gaspiller les vastes réserves de précieux méthane. »
Les molécules éphémères en phase gazeuse racontent l’histoire
La clé pour comprendre les mécanismes de réaction complexes tels que ceux-ci est de détecter les différentes espèces impliquées, y compris les produits intermédiaires. Les techniques traditionnelles regardent directement la surface du catalyseur pour comprendre la réaction, mais une partie importante de l’histoire est racontée par les molécules en phase gazeuse, qui se détachent du catalyseur.
« Ces molécules sont souvent très réactives et à très courte durée de vie, se décomposant en quelques millisecondes. Cela rend leur identification un véritable défi, car les méthodes traditionnelles d’analyse en phase gazeuse sont tout simplement trop lentes », explique Patrick Hemberger, chercheur à l’ultraviolet sous vide (VUV ) de la source de lumière suisse SLS, dont les techniques analytiques sophistiquées permettraient aux chercheurs d’étudier la réaction telle qu’elle se produisait.
Sur la ligne de lumière VUV, la spectroscopie Photoion Photoelectron Coincidence (PEPICO) s’est récemment imposée comme un outil analytique puissant dans les réactions catalytiques. Il combine deux techniques analytiques différentes, la spectroscopie photoélectronique et la spectrométrie de masse, pour donner des informations détaillées sur les intermédiaires de réaction en phase gazeuse, permettant même la différenciation entre les isomères.
« Parce que nous recueillons simultanément deux types d’informations différents, nous pouvons rapidement identifier ces espèces fugaces, même dans un mélange contenant jusqu’à cent intermédiaires et produits de réaction. Cela nous donne un aperçu sans précédent qui n’est tout simplement pas possible avec les méthodes conventionnelles », a déclaré Hemberger. dit.
Les voies de réaction révélées
La spectroscopie a permis aux chercheurs de révéler la formation des liaisons carbone-carbone et la croissance de la chaîne hydrocarbonée en détectant de nombreux produits intermédiaires. Pour les deux processus – méthanol en hydrocarbure et chlorure de méthyle en hydrocarbure – les chercheurs ont observé que différents intermédiaires de réaction se produisaient. À partir de là, ils ont pu identifier deux voies de réaction distinctes, l’une entraînée par les radicaux méthyles, présents dans les deux réactions, et l’autre entraînée par des espèces oxygénées, appelées cétènes, qui ne se produisaient que dans la réaction méthanol-hydrocarbure.
Les chercheurs ont également pu comprendre une caractéristique intéressante des réactions : après plusieurs jours, le catalyseur était désactivé et la réaction stoppée. Cela était dû à l’accumulation d’un sous-produit indésirable, le coke, qui est fabriqué à partir de gros hydrocarbures aromatiques déposés au cours de la réaction.
À l’aide d’une autre technique spectroscopique, la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique, les chercheurs ont constaté que la production de chlorure de méthyle en hydrocarbures était beaucoup plus sujette à la formation de coke que la production à partir de méthanol. Armé de la connaissance des voies de réaction, la raison de cette différence était claire : « La voie du méthanol vers l’hydrocarbure suit deux voies de réaction, tandis que la voie du chlorure de méthyle vers l’hydrocarbure ne peut emprunter que la voie du radical méthyle plus réactive, qui est plus sujette à formant du coke », explique Gunnar Jeschke, dont l’équipe de l’ETH Zürich a réalisé les études de spectroscopie par résonance paramagnétique électronique.
Comprendre le mécanisme pour optimiser le processus
Les connaissances acquises par cette étude sont essentielles pour le développement futur des carburants liquides de manière durable. Cela pourrait inclure la recherche de moyens d’améliorer la voie entraînée par l’oxygène, supprimant ainsi la formation de coke.
« Nous avons maintenant une meilleure compréhension du mécanisme de réaction du méthanol aux hydrocarbures ou du chlorure de méthyle aux hydrocarbures et avec ces connaissances, nous pouvons optimiser le processus industriel de manière ciblée pour le rendre plus efficace », ajoute Hemberger.
Alessia Cesarini et al, Élucidation des voies induites par les radicaux et les oxygénés dans la conversion catalysée par la zéolithe du méthanol et du chlorure de méthyle en hydrocarbures, Catalyse naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41929-022-00808-0