Des chercheurs dirigés par l'Université de Manchester ont conçu un catalyseur qui convertit la biomasse en sources de carburant avec une efficacité remarquablement élevée et offre de nouvelles possibilités de fabrication de matériaux renouvelables avancés.

Les expériences de diffusion des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont joué un rôle clé dans la détermination de la dynamique chimique et comportementale d'un catalyseur à base de zéolite (la zéolite est un matériau poreux couramment utilisé dans la catalyse commerciale) afin de fournir des informations permettant d'optimiser ses performances.

Le catalyseur optimisé, appelé NbAlS-1, convertit les matières premières dérivées de la biomasse en oléfines légères, une classe de produits pétrochimiques tels que l'éthène, propène, et du butène, utilisé pour fabriquer des plastiques et des carburants liquides. Le nouveau catalyseur a un rendement impressionnant de plus de 99% mais nécessite nettement moins d'énergie par rapport à ses prédécesseurs. Les recherches de l'équipe sont publiées dans la revue Matériaux naturels .

"L'industrie dépend fortement de l'utilisation d'oléfines légères du pétrole brut, mais leur production peut avoir des impacts négatifs sur l'environnement, " a déclaré l'auteur principal Longfei Lin à l'Université de Manchester. " Les catalyseurs précédents qui produisaient du butène à partir de composés oxygénés purifiés nécessitaient beaucoup d'énergie, ou des températures extrêmement élevées. Ce nouveau catalyseur convertit directement les composés oxygénés bruts dans des conditions beaucoup plus douces et avec beaucoup moins d'énergie et est plus respectueux de l'environnement."

La biomasse est une matière organique qui peut être convertie et utilisée comme combustible et matière première. Il est généralement dérivé des restes de déchets agricoles tels que le bois, herbe, et de la paille qui se décompose et alimente un catalyseur qui la convertit en butène, un gaz riche en énergie utilisé par les industries chimiques et pétrolières pour fabriquer des plastiques, les polymères et les carburants liquides qui sont autrement produits à partir du pétrole.

Typiquement, une réaction chimique nécessite une énorme quantité d'énergie pour briser les liaisons fortes formées à partir d'éléments tels que le carbone, oxygène, et l'hydrogène. Certaines obligations peuvent nécessiter de les chauffer à 1, 000°C (plus de 1, 800°F) et plus chaud avant que les liaisons ne soient rompues.

Pour un design plus écologique, l'équipe a dopé le catalyseur en remplaçant les atomes de silicium de la zéolite par du niobium et de l'aluminium. La substitution crée un état chimiquement déséquilibré qui favorise la séparation des liaisons et réduit radicalement le besoin de degrés élevés de traitements thermiques.

"La chimie qui se déroule à la surface d'un catalyseur peut être extrêmement compliquée. Si vous ne faites pas attention à contrôler des choses comme la pression, Température, et concentré, tu vas finir par faire très peu de butène, " a déclaré le chercheur de l'ORNL Yongqiang Cheng. " Pour obtenir un rendement élevé, vous devez optimiser le processus, et pour optimiser le processus, vous devez comprendre son fonctionnement."

Les neutrons sont bien adaptés pour étudier les réactions chimiques de ce type en raison de leurs propriétés de pénétration profonde et de leur sensibilité aiguë aux éléments légers tels que l'hydrogène. Le spectromètre VISION de la source de neutrons de spallation de l'ORNL a permis aux chercheurs de déterminer avec précision quelles liaisons chimiques étaient présentes et comment elles se comportaient en fonction des signatures vibrationnelles des liaisons. Ces informations leur ont permis de reconstituer la séquence chimique nécessaire pour optimiser les performances du catalyseur.

"Il y a beaucoup d'essais et d'erreurs associés à la conception d'un catalyseur aussi performant que celui que nous avons développé, " a déclaré l'auteur correspondant Sihai Yang à l'Université de Manchester. " Plus nous comprenons comment fonctionnent les catalyseurs, plus nous pouvons guider le processus de conception des matériaux de nouvelle génération."

Des mesures de diffraction des rayons X au synchrotron à la source lumineuse Diamond du Royaume-Uni ont été utilisées pour déterminer la structure atomique du catalyseur et des mesures complémentaires de diffusion des neutrons ont été effectuées à la source de neutrons et de muons ISIS du laboratoire Rutherford Appleton.

En plus de Lin, Cheng, et Yang, la liste des coauteurs comprend Alena M. Sheveleva, Ivan de Silva, Christopher M.A. Parlett, Zhimou Tang, Yueming Liu, Fan de Mengtian, Xue Han, Joseph H. Carter, Floriana Thon, Eric J. L. McInnes, Luke L. Daemen, Svemir Rudic, Anibal J. Ramirez-Cuesta, et Chiu C. Tang.