La surface fondue d'un matériau à base de sodium pourrait aider à la conversion directe du méthane en blocs de construction utiles.

Pour que le gaz naturel soit efficacement converti en produits industriels utiles, il faut le bon processus catalytique. Des chercheurs de la KAUST et des États-Unis combinent des techniques de pointe pour la caractérisation des matériaux afin de démontrer une voie de réaction unique qui montre que les catalyseurs fondus à base de sodium peuvent fournir toutes les espèces chimiques nécessaires pour optimiser le processus.

Radicaux libres, molécules avec un électron de valence non apparié, tel que le radical hydroxyle, jouer un rôle crucial dans la conversion industriellement importante du gaz naturel, principalement du méthane, à l'éthylène :un composé organique vital qui forme les éléments constitutifs de nombreux produits et polymères. Pour améliorer ce processus, connu sous le nom de couplage oxydatif, il est vital de développer des catalyseurs sélectifs.

L'équipe KAUST, dirigée par Kazuhiro Takanabe et son élève Abdulaziz Khan, a utilisé des outils in situ pour mesurer l'état d'un catalyseur dans des conditions de réaction. Ils ont découvert que l'espèce active dans la réaction catalytique qui sort sur la surface fondue du tungstate de sodium, un produit chimique nécessaire à la réaction, est le peroxyde de sodium. Ce catalyseur est unique en ce qu'au lieu d'activer directement le méthane, il active d'abord l'eau puis génère des radicaux hydroxyles gazeux.

Le couplage oxydant du méthane convertit le méthane et l'oxygène en éthylène dans un seul réacteur. Des recherches antérieures dans le laboratoire de Takanabe avaient indiqué qu'en utilisant du tungstate de sodium à des températures supérieures à 700 °C, la présence d'eau peut à la fois augmenter le taux de conversion du méthane et améliorer la sélectivité du produit. Cela pourrait potentiellement se produire via la formation de radicaux hydroxyles et de peroxyde de sodium, mais il n'y avait aucune preuve directe de la présence de ces espèces.

Maintenant, Takanabe et ses co-auteurs fournissent des preuves directes de la formation de ces radicaux libres à la surface fondue du tungstate de sodium. Ils combinent un large éventail de techniques expérimentales, y compris la diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission à balayage, spectrométrie de fluorescence induite par laser et spectroscopie photoélectronique à rayons X, d'observer une couche externe de tungstate de sodium fondu riche en hydroxyde de sodium. "Nous avons identifié exclusivement la phase active du catalyseur dans un état unique dans des conditions de réaction, " explique Takanabe.

Cela confirme à son tour qu'un catalyseur à base de sodium peut former des radicaux hydroxyles à partir d'un mélange d'oxygène et d'eau, une réaction qui n'a jamais été vue. "Ce catalyseur et la voie de réaction unique ont un grand potentiel pour une utilisation dans diverses réactions catalytiques pour la conversion du gaz naturel, raffinerie de pétrole et réactions de combustion, " dit Takanabe.

Plus généralement, ce succès démontre également l'importance de combiner les techniques spectroscopiques et microscopiques in situ pour mieux comprendre la chimie en phase gazeuse à haute température.