Des chercheurs de l’Université de Bonn et de l’Université de Montréal ont développé un nouveau type de catalyseur et l’ont utilisé dans leur étude pour produire du méthane à partir de dioxyde de carbone et d’eau de manière très efficace en utilisant l’électricité. Le méthane peut être utilisé, par exemple, pour chauffer des appartements ou comme matière première dans l’industrie chimique. C’est également le principal composant du gaz naturel.
Toutefois, si elle est produite à partir d’électricité verte, elle est largement neutre sur le plan climatique. Les connaissances acquises grâce au système modèle étudié par les chercheurs peuvent être transférées à des catalyseurs techniques à grande échelle. Le système pourrait également être utilisé pour produire d’autres composés chimiques importants. L’étude a été publiée dans la revue Chimie naturelle.
De nombreuses réactions chimiques nécessitent de l’énergie pour démarrer et cette énergie peut être ajoutée, par exemple, en chauffant les partenaires de réaction ou en les soumettant à une haute pression. « Nous avons plutôt utilisé l’électricité comme moteur », explique le professeur Nikolay Kornienko. « En utilisant une électricité respectueuse du climat, nous pouvons produire, par exemple, du méthane qui ne contribue pas au réchauffement climatique. »
Le chercheur a récemment quitté l’Université de Montréal pour rejoindre l’Institut de chimie inorganique de l’Université de Bonn. Il a commencé ses dernières études alors qu’il était encore au Canada et les a terminées dans son nouveau domicile. « La production de méthane, de formule chimique CH4, est un défi car il faut effectuer une réaction entre un gaz et un liquide », explique Kornienko.
Dans ce cas, nous parlons de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O). Les chercheurs ont utilisé une électrode à diffusion gazeuse pour réunir ces deux partenaires. Dans la réaction, il est nécessaire de séparer les deux atomes d’oxygène de l’atome de carbone et de les remplacer par quatre atomes d’hydrogène. L’hydrogène provient de l’eau.
Prévenir les réactions secondaires
Le problème avec ce processus est que l’eau préférerait de loin subir une autre réaction et se diviserait en hydrogène et en oxygène dès qu’elle serait exposée à un courant électrique. « C’est une réaction concurrente que nous devons éviter », souligne Morgan McKee, l’assistant de Kornienko, qui a réalisé une grande partie des expériences.
« Sinon, cela nous empêcherait de produire du méthane. Nous devons donc éviter que l’eau n’entre en contact avec l’électrode. En même temps, nous avons toujours besoin de l’eau comme partenaire de réaction. »
C’est là qu’intervient le catalyseur nouvellement développé, déposé sur l’électrode. Cela garantit surtout que le dioxyde de carbone réagit plus facilement et plus rapidement pour produire du méthane. Il y parvient grâce à son soi-disant « centre actif » qui retient le dioxyde de carbone et, en termes simples, affaiblit également les liaisons entre l’atome de carbone et les deux atomes d’oxygène.
Ces atomes d’oxygène sont ensuite progressivement remplacés par quatre atomes d’hydrogène lors de l’étape suivante. Le catalyseur a besoin d’eau à ce stade du processus. Cependant, il doit également le maintenir à distance pour éviter toute réaction secondaire indésirable. « Pour y parvenir, nous avons lié de longues chaînes latérales moléculaires au centre actif », explique le professeur Kornienko, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire « Matière » de l’Université de Bonn. « Leur structure chimique repousse l’eau ou, en d’autres termes, ils sont hydrophobes. »
Chaînes moléculaires craignant l’eau
Les chaînes latérales éloignent non seulement les molécules H2O du centre actif et de l’électrode, mais elles agissent également comme une sorte de tapis roulant.
Au sens figuré, ils extraient les atomes d’hydrogène des molécules d’eau et les transportent vers le centre actif, où ils réagissent avec l’atome de carbone. Le CO2 est ainsi transformé en CH4 en plusieurs étapes.
Ce procédé a une efficacité de plus de 80 % et la réaction ne produit pratiquement aucun produit secondaire indésirable. Néanmoins, le catalyseur n’est pas vraiment adapté à la production de méthane à grande échelle. « Les principes de réaction que nous avons obtenus avec ce catalyseur pourraient toutefois être appliqués à d’autres matériaux catalytiques destinés à être utilisés dans des applications techniques à grande échelle », explique Kornienko.
Le chercheur estime que la production de méthane n’est pas le seul domaine d’application de cette méthode. Selon lui, cela pourrait s’avérer plus lucratif dans la production d’autres composés chimiques comme l’éthylène, qui est utilisé comme matière première pour de nombreux plastiques.
À moyen terme, la nouvelle méthode catalytique pourrait ainsi être utilisée dans la mesure du possible pour rendre la production de plastique plus respectueuse de l’environnement.
Plus d’informations :
Morgan McKee et. al. L’assemblage moléculaire hydrophobe à l’interface gaz-liquide-solide entraîne une électrométhanation hautement sélective du CO2, Chimie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41557-024-01650-6