Ce serait une triple victoire - pour le climat, ressources en matières premières, et l'industrie chimique. Avec leur travail, Les scientifiques de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck à Berlin espèrent créer la base pour extraire des produits chimiques utiles tels que les plastiques du méthane qui est généralement brûlé lors de la production de pétrole. Ils cherchent comment concevoir un catalyseur qui convertit le méthane en éthène plus efficacement qu'il n'est actuellement possible. Ils ont maintenant trouvé un indice révolutionnaire.

Environ 140 milliards de mètres cubes de méthane, qui s'échappe lors de la production mondiale de pétrole, sont évasés chaque année. C'est considérablement plus que les 90 milliards de mètres cubes de gaz naturel que l'Allemagne a consommés en 2019. Cela alimente non seulement le changement climatique, mais gaspille également un combustible fossile non renouvelable. Cependant, il ne serait pas rentable de construire des pipelines ou des usines de liquéfaction pour les quantités relativement faibles de méthane extraites accidentellement sur des sites de production de pétrole individuels. Ce serait, cependant, vaudrait la peine de transporter le méthane s'il pouvait être économiquement transformé en substances présentant un intérêt pour l'industrie chimique. L'une de ces substances est l'éthylène, le matériau de départ pour le polyéthylène et de nombreux autres produits. Ceux-ci sont produits presque exclusivement à partir de pétrole brut. Malheureusement, la réaction chimique qui transforme directement le méthane en éthène se déroule à haute température. "Cela coûte non seulement beaucoup d'énergie, mais entraîne également la combustion d'une grande partie du méthane pour former le sous-produit indésirable CO 2 , " dit Annette Trunschke, chef de groupe de recherche à l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck. « Donc, cela n’a pas encore de sens. »

Le sodium est le composant essentiel

La chimiste et son équipe veulent changer cela. C'est pourquoi ils ont jeté leur dévolu sur l'élément décisif du procédé :le catalyseur à base de sodium, manganèse, tungstène, et silicium. Cela facilite la conversion chimique du méthane en éthène, bien que jusqu'à présent seulement à 700 °C. Afin de développer des catalyseurs qui fonctionnent à des températures plus basses (c'est-à-dire avec moins d'apport énergétique) et ne favorisent que la formation des produits souhaités, les chimistes doivent d'abord savoir ce qui est important dans un catalyseur pour cette réaction. Selon les recherches du groupe de Trunschke, ce composant essentiel est le sodium.

"Jusqu'à maintenant, il y a eu plusieurs théories sur quel élément dans le catalyseur est crucial pour convertir le méthane en éthène, " dit Trunschke. " C'est un peu surprenant que le sodium, de toutes choses, était le composant important car il devrait en fait s'évaporer aux températures élevées de la réaction ". Cependant, la recherche a révélé autre chose. A hautes températures, le métal alcalin est transformé en oxyde de sodium catalytiquement actif. L'oxyde n'est libéré que pendant une courte période et en quantités infimes en raison de l'interaction étroite avec les autres composants du catalyseur, et est ainsi empêché de s'évaporer. "Cela montre clairement que les autres composants du catalyseur ne sont nécessaires que pour libérer et stabiliser la forme active du catalyseur, " dit Trunschke.

Connexion en direct au catalyseur de travail

Les chercheurs sont arrivés à cette conclusion parce qu'ils ont été les premiers à observer le catalyseur en action. En utilisant la spectroscopie Raman dans un appareil spécialement développé, ils ont analysé quelles substances sont produites sur le catalyseur pendant que les matières premières de la réaction s'écoulent dessus. "Jusque là, les catalyseurs n'ont été étudiés qu'avant et après catalyse. Les analyses par spectroscopie Raman à haute température n'ont jusqu'à présent été réalisées que sur des catalyseurs non fonctionnels, " dit Maximilian Werny, qui a fait les expériences dans le cadre de sa thèse de maîtrise. "En utilisant la spectroscopie Raman, nous avons observé pour la première fois comment les produits sont créés."

A la fois la possibilité d'obtenir une image en direct de la conversion du méthane en éthène, et la connaissance du catalyseur à base de sodium, manganèse, tungstène, et le silicium pourrait aider les chimistes à développer des médiateurs chimiques qui fonctionnent à des températures plus basses et ne produisent ainsi que ce qui est souhaité, produits utiles et pas de CO 2 de manière plus ciblée. Une approche pourrait consister à remplacer le sodium par d'autres métaux alcalins et à tester si les catalyseurs correspondants produisent de l'éthène à des températures plus basses. "Vous auriez probablement besoin d'autres composants pour maintenir le métal en place, », explique Trunschke. Elle et son équipe seraient alors en mesure de suivre le mode d'action des candidats aux catalyseurs alternatifs. Les chimistes devraient alors être en mesure de développer un catalyseur qui permettra d'éviter le gaspillage de méthane dans la production de pétrole et de faire au moins un petite contribution à la protection du climat.