Il a été démontré par des scientifiques de Tokyo Tech que l’encapsulation de nanoparticules de cuivre dans des cristaux de silicate poreux hydrophobes améliore considérablement l’activité catalytique des catalyseurs d’oxyde de cuivre-zinc utilisés dans la synthèse du méthanol via l’hydrogénation du CO2.
La structure d’encapsulation innovante inhibe efficacement l’agrégation thermique des particules de cuivre, conduisant à une activité d’hydrogénation améliorée et à une production accrue de méthanol. Cette avancée ouvre la voie à une synthèse plus efficace du méthanol à partir du CO2.
Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) contribuent largement au réchauffement climatique, ce qui souligne le besoin urgent de mesures de réduction des émissions. Les chercheurs explorent donc des alternatives aux énergies fossiles, première source d’émissions de CO2.
Le méthanol apparaît comme un carburant polyvalent et rentable, offrant une alternative prometteuse aux carburants de transport conventionnels. En outre, dans les efforts visant à atténuer l’impact de ces émissions, une attention particulière a été portée aux technologies de captage et d’utilisation du CO2.
Ces approches innovantes consistent à capter le CO2 de l’atmosphère et à le convertir en produits à valeur ajoutée. Parmi ces technologies, la synthèse du méthanol via hydrogénation du CO2 s’impose comme une méthode particulièrement prometteuse.
Pour la synthèse du méthanol via hydrogénation du CO2, des températures de réaction plus basses sont préférables car de la chaleur est libérée pendant la réaction. En conséquence, les études se sont concentrées sur le développement de catalyseurs présentant des activités élevées à basses températures.
Les catalyseurs à base de cuivre-oxyde de zinc (Cu-ZnO) sont particulièrement adaptés à cet effet en raison de leur capacité à former une interface Cu-ZnO qui lie et convertit le CO2 en intermédiaires formiates qui, à leur tour, favorisent la production de méthanol. L’augmentation de la surface de cette interface est un moyen efficace d’améliorer la production, ce qui peut être réalisé en augmentant la dispersion des nanoparticules de Cu.
Cependant, les nanoparticules de Cu sont thermiquement instables et s’agrègent pendant la préparation et la réaction du catalyseur, réduisant ainsi la zone d’interface. De plus, la formation d’eau en tant que sous-produit de la synthèse du méthanol accélère l’agrégation du Cu et inhibe la formation du formiate.
Pour résoudre ces problèmes, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Teruoki Tago du Département des sciences et de l’ingénierie chimiques de l’École des matériaux et de la technologie chimique de l’Institut de technologie de Tokyo, a développé une nouvelle Silicalite-1 (S-1) encapsulée Cu-ZnO. catalyseurs.
« La recherche indique que l’encapsulation de métaux dans des supports poreux comme la silice ou la zéolite atténue efficacement l’agrégation thermique. Par conséquent, notre objectif s’est porté sur le développement d’un nouveau catalyseur efficace à base de Cu pour la production de méthanol via l’hydrogénation du CO2, en mettant particulièrement l’accent sur l’encapsulation de nanoparticules de Cu dans des matériaux poreux. « , a expliqué Tago.
Leur étude a été publié dans le Journal de génie chimiquele 1er avril 2024.
Les chercheurs ont fabriqué deux types de catalyseurs, l’un comprenant un catalyseur Cu/S-1 dans lequel du cuivre était chargé sur du S-1 hydrophobe par imprégnation, et l’autre catalyseur Cu@S-1, dans lequel une poudre de phyllosilicate de Cu (CuPS) était utilisé comme source de métal pour encapsuler les particules de Cu dans la zéolite S-1.
Cu@S-1 a été préparé en réduisant la poudre de CuPS dissoute. Les chercheurs ont étudié le temps de dissolution des précurseurs du CuPS sur les propriétés du catalyseur, révélant que des temps de dissolution inappropriés affectent de manière significative la taille des particules de Cu.
La dissolution optimale du précurseur a abouti à un catalyseur avec des particules de Cu d’environ 2,4 nanomètres encapsulées dans S-1, présentant une activité catalytique optimale. Ce catalyseur a démontré une activité d’hydrogénation et une production de méthanol supérieures à celles du Cu/S-1.
Pour améliorer encore la production de méthanol, du ZnO a été ajouté à Cu@S-1 par imprégnation, formant un catalyseur ZnO/Cu@S-1 avec de fines particules de Cu. Ce catalyseur a démontré une activité encore plus élevée, suggérant la formation de l’interface Cu-ZnO.
« Nos résultats indiquent que la structure d’encapsulation avec S-1 supprime efficacement l’agrégation thermique des particules de Cu, tout en facilitant simultanément l’élimination rapide du sous-produit de l’eau à proximité de l’interface Cu-ZnO, améliorant ainsi la synthèse du méthanol », a fait remarquer Tago.
Dans l’ensemble, cette étude démontre l’efficacité de la méthode d’encapsulation innovante pour préparer des catalyseurs hautement actifs, offrant une voie prometteuse pour une production efficace de méthanol à partir de CO2.
Plus d’information:
Ryokuto Kanomata et al, Développement de catalyseurs Cu-ZnO encapsulés Silicalite-1 pour la synthèse du méthanol par hydrogénation du CO2, Journal de génie chimique (2024). DOI : 10.1016/j.cej.2024.149896