La capacité nouvellement développée d'exploiter des gisements de gaz de schiste auparavant inaccessibles au cours de la dernière décennie a créé une source abondante de gaz, dont le méthane, éthane et propane, qui sont utilisés pour créer des produits à base de produits chimiques tels que les plastiques. Mais l'industrie chimique américaine a besoin de scientifiques, y compris ceux du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), pour aider à transformer cette nouvelle offre de matière première en un avantage technologique concurrentiel.

Dans divers programmes de recherche, Les experts d'Argonne trouvent des moyens de fabriquer à moindre coût et de manière plus efficace des produits dérivés des gisements de gaz de schiste et identifient de nouvelles voies pour fabriquer des catalyseurs plus performants.

« Afin de maximiser les avantages et de tirer parti de la source peu coûteuse actuelle de gaz naturel et de liquides de gaz naturel pour créer des investissements et des emplois aux États-Unis, il est important de développer de nouveaux procédés plus efficaces liés à la conversion catalytique du gaz naturel en matériaux à plus haute valeur ajoutée, " a affirmé un rapport de 2016 de l'Académie nationale des sciences.

Le gaz de schiste est un gaz naturel que l'on trouve dans les formations rocheuses de schiste créées il y a des centaines de millions d'années. La partie humide du gaz de schiste contient une variété d'alcanes, une famille d'hydrocarbures commercialement importants qui comprend l'éthane et le propane. L'industrie chimique s'intéresse aux alcanes qui peuvent être convertis en alcènes, une classe d'hydrocarbures utiles dans la fabrication de divers matériaux, principalement des polymères tels que le polyéthylène et le polypropylène. Le programme scientifique de catalyse d'Argonne a déjà développé une méthode efficace pour convertir efficacement les alcanes en alcènes. Maintenant, les chercheurs étudient également comment ils peuvent fabriquer d'autres composés d'intérêt pour l'industrie chimique.

"L'objectif est de comprendre comment manipuler des catalyseurs mono-site sur des surfaces et comment atteindre une sélectivité élevée pour la transformation des alcanes légers en produits à valeur ajoutée tels que les oléfines, qui ont trouvé une utilisation répandue dans l'industrie manufacturière, " dit Max Delferro, un chimiste d'Argonne qui dirige le groupe de catalyse du laboratoire.

Les scientifiques d'Argonne concentrent une grande partie de leur travail sur les catalyseurs à site unique en raison de la promesse qu'ils montrent à la fois pour une activité élevée et une sélectivité du produit. Ces travaux ont donné lieu à deux demandes de brevet américain pour le développement de catalyseurs multimétalliques qui déshydrogénent sélectivement le n-butane en 1, 3-butadiène (BDE). Le BDE est un élément de base du caoutchouc synthétique, que les fabricants de polymères ont utilisé pour fabriquer des pneus de voiture.

Les technologies actuelles de transformation des alcanes en alcènes impliquent toutes la cokéfaction, un processus de dépôt de carbone qui interfère avec l'activité catalytique. "Le problème avec la cokéfaction est que vous ne convertissez pas votre matière première en produit que vous voulez. Vous la convertissez en sous-produit, " a déclaré Ted Krause, ingénieur chimiste et chef de service à la division Sciences et Génie Chimiques d'Argonne. La technologie catalytique à site unique d'Argonne déshydrogéne les alcanes sans favoriser la cokéfaction.

Le travail cible une gamme de catalyseurs et de réactions parmi lesquels les entreprises privées pourraient sélectionner pour l'optimisation et la commercialisation. "L'un des principaux objectifs est de transférer les connaissances des sciences fondamentales de l'énergie vers les marchés, " dit Delferro.

Krause mène un deuxième projet, financé par l'Office des technologies de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) du DOE. Dans ce projet, les chercheurs utilisent la spectroscopie aux rayons X à la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science, comprendre comment les catalyseurs réagissent et comment ils se désactivent.

Les scientifiques en catalyse d'Argonne travaillent avec plusieurs entreprises du secteur des biocarburants et de l'industrie biochimique dans le cadre d'accords de coopération pour stimuler le développement de matériaux catalytiques. Dans les expériences APS, Les chercheurs d'Argonne sondent les réactions catalytiques avec un faisceau de rayons X pour surveiller les changements que subissent les catalyseurs dans les conditions de travail réelles.

La science de la catalyse est un pilier de l'APS depuis que l'APS a commencé à fonctionner en 1996. Les capacités d'expérimentation in situ et operando sont une force importante de l'APS, permettant des mesures dans des conditions réelles, dit Greg Halder, Chargée de développement commercial au sein de la division Commercialisation des Technologies et Partenariats d'Argonne.

« Ces approches couvrent une série de lignes de lumière qui permettent à l'industrie de surveiller les réactions en temps réel et de mesurer les performances catalytiques en surveillant avec précision une gamme de propriétés chimiques et physiques, " Halder a déclaré. "Ces informations peuvent ensuite être combinées avec des données et une expertise expérimentales et informatiques pour développer la prochaine génération de catalyseurs."

Les chercheurs d'Argonne se spécialisent dans la compréhension des raisons pour lesquelles les catalyseurs se désactivent - pourquoi ils meurent - et dans le développement de techniques pour atténuer ce processus.

"La durée de vie du catalyseur est un facteur de coût critique, " Krause dit. " Si c'est court, vous avez besoin d'un processus de régénération, car le coût de son échange avec du catalyseur neuf pourrait être prohibitif. Même pour les catalyseurs à long terme, comme ils commencent à se désactiver avec le temps, vous avez tendance à perdre en sélectivité vers le produit souhaité, donc vous avez tendance à faire moins de votre produit désiré.

Chris Marshall, un chimiste de recherche senior dans le groupe de catalyse, dirige un projet financé par le DOE EERE Advanced Manufacturing Office pour développer des capacités pour prolonger la durée de vie du catalyseur. « Nous avons développé des techniques de stabilisation des catalyseurs, en particulier dans des conditions de réaction difficiles, " dit Krause.

En plus de son expertise, Argonne est dotée d'une infrastructure qui accélère la découverte des matériaux et des conditions de procédé. L'outil catalyseur du laboratoire pour la synthèse des dépôts de couches atomiques offre un contrôle précis du processus au niveau atomique, et la plate-forme de synthèse robotique à haut débit d'Argonne sélectionne plusieurs catalyseurs simultanément pour une grande variété de réactions et de conditions de réaction.