L’hydrocarbure méthane est très abondant sur Terre, mais on sait désormais que sa libération contribue aux augmentations de température et au changement climatique. Ces dernières années, les chercheurs ont tenté de concevoir des méthodes fiables pour convertir directement le méthane en d’autres carburants et produits chimiques ayant de précieuses applications concrètes.
Ces stratégies incluent des méthodes basées sur des catalyseurs pour provoquer le couplage oxydatif du méthane avec des substances contenant du carbone diatomique (C2) du gaz vert. Cependant, cette réaction nécessite généralement des conditions environnementales extrêmes et difficiles, en raison des caractéristiques défavorables des thermocatalyseurs introduits jusqu’à présent.
Des chercheurs de l’University College London de l’Université de Liverpool ont récemment développé un nouveau photocatalyseur qui pourrait faire progresser le couplage oxydatif du méthane. Ce photocatalyseur, introduit dans Énergie naturelleest à base de dioxyde de titane (TiO2 ) chargé de nanoclusters d’or (Au).
« Le couplage oxydatif photocatalytique du méthane (OCM) produit des molécules C2 qui peuvent être utilisées comme éléments de base pour la synthèse de carburants et de produits chimiques », ont écrit Xiyi Li, Chao Li et leurs collègues dans le document. « Cependant, le taux de rendement et la sélectivité des produits C2 restent modérés en raison de la nature stable des molécules de méthane. »
Grâce à une méthode de pulvérisation rapide, les chercheurs ont pu charger de manière homogène des nanoclusters Au sur TiO2, produisant ainsi leur nouveau photocatalyseur prometteur. Lors des premiers tests, un échantillon optimisé de leur photocatalyseur s’est révélé remarquablement performant, convertissant le méthane en C2 à un taux élevé et sans nécessiter de conditions de réaction particulièrement difficiles.
« Nous développons un photocatalyseur TiO2 chargé en nanocluster d’Au par pulvérisation cathodique, atteignant un taux de conversion de méthane élevé de 1,1 mmol h−1, une sélectivité C2 d’environ 90 % et une efficacité quantique apparente de 10,3 ± 0,6 % », Xiyi Li, Chao Li et leurs collègues ont expliqué dans l’étude.
« Le taux de rendement élevé C2/C2+ est du même ordre de grandeur que celui des catalyseurs thermiques de référence dans les processus OCM fonctionnant à haute température (>680 °C). Il a été démontré que les nanoparticules d’or prolongent la durée de vie des photoélectrons TiO2 d’un facteur 66 pour l’O2. « , ont-ils poursuivi.
Dans l’ensemble, cette étude démontre les avantages de l’utilisation de catalyseurs basés sur divers composants ayant différentes fonctions et caractéristiques pour permettre le couplage oxydatif du méthane. Le photocatalyseur proposé, Au60s/TiO2, s’est avéré surpasser de nombreux catalyseurs précédemment signalés pouvant déclencher cette réaction, en termes de stabilité, de taux de conversion du méthane et de rendement en C2.
Notamment, le photocatalyseur de l’équipe est également facile à fabriquer, ce qui pourrait faciliter sa production et son déploiement à grande échelle. D’autres études pourraient bientôt permettre de valider les performances du nouveau photocatalyseur Au60s/TiO2 et d’évaluer son applicabilité dans des contextes réels.
À l’avenir, cette étude pourrait également ouvrir la voie à la fabrication d’autres photocatalyseurs multimatériaux prometteurs pour la conversion fiable et directe du méthane. Collectivement, ces efforts pourraient contribuer à l’utilisation précieuse des abondantes réserves de méthane sur Terre.
Plus d’information:
Xiyi Li et al, Extraction efficace de trous pour un couplage oxydatif hautement sélectif du méthane par des photocatalyseurs TiO2 pulvérisés au Au, Énergie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41560-023-01317-5
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