La décarbonisation du transport aérien est essentielle pour atteindre les objectifs climatiques des États-Unis et améliorer l'économie énergétique du pays. Mais les technologies qui transforment les automobiles, telles que les moteurs électriques et les carburants à hydrogène, sont difficiles à mettre en œuvre dans les avions.

Une batterie suffisamment puissante pour alimenter un avion serait d'un poids prohibitif. L'hydrogène n'est qu'un quart de la densité énergétique du carburéacteur (et beaucoup plus cher), mais nécessiterait de grands réservoirs de stockage complexes à bord. Pour réduire fortement ses émissions, le secteur de l'aviation commerciale aux États-Unis aura besoin de nouvelles méthodes de fabrication de carburant d'aviation durable.

Le bien établi, Le marché de l'éthanol à prix compétitif offre une opportunité de changer la composition du carburéacteur et d'autres produits de carburant loin du pétrole. L'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Bioenergy Technologies Office du ministère de l'Énergie se concentre sur le développement de carburants industriellement viables utilisant la biomasse renouvelable, y compris les efforts des laboratoires nationaux pour produire des biocarburants compatibles avec les systèmes d'avions actuels.

Dans la première étape d'un processus de transformation de l'éthanol en carburéacteur en plusieurs étapes développé par le laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, un catalyseur est utilisé pour convertir l'éthanol en C riche en butène 3+ oléfines, intermédiaires importants qui peuvent ensuite être transformés en carburants d'aviation. Deux autres étapes, l'oligomérisation et l'hydrotraitement, convertissent ces intermédiaires en hydrocarbures liquides utilisés comme carburants.

Zhenglong Li de l'ORNL a dirigé une équipe chargée d'améliorer la technique actuelle de conversion de l'éthanol en C 3+ oléfines et a démontré un catalyseur composite unique qui bouleverse les pratiques actuelles et réduit les coûts. La recherche a été publiée dans Catalyse ACS .

Il existe deux défis qui entravent l'adoption plus large des techniques de conversion actuelles :un faible rendement en oléfine et des coûts de production élevés. Aussi, les approches récentes de conversion nécessitent de l'hydrogène supplémentaire, un autre fardeau de coût. La ligne de fond? Le coût de la valorisation de l'éthanol doit être considérablement réduit pour concurrencer le pétrole.

Li a pour mission de refaire le processus standard, produire C 3+ des oléfines à haut rendement et sans hydrogène supplémentaire. Lorsque vous étudiez les petites réactions en jeu dans cette étape, L'équipe de Li s'est concentrée sur une solution potentielle.

« Bien que nous considérions cela comme un processus, du côté de la chimie lorsque vous zoomez, il y a plusieurs étapes élémentaires, " dit-il. " Dans la première étape, nous produisons de l'hydrogène en interne. Pouvons-nous utiliser cette faible concentration d'hydrogène en aval là où elle est nécessaire et éviter d'utiliser de l'hydrogène supplémentaire ? Pour faire ça, nous devons développer de nouveaux catalyseurs; les normes actuelles ne peuvent pas faire cette conversion à la température relativement élevée requise. »

L'équipe a développé et testé un catalyseur composite, un catalyseur bêta zinc-yttrium combiné à un catalyseur en alliage à un seul atome. Les scientifiques des matériaux de l'ORNL, dont le co-auteur de Li Lawrence Allard, pionnier de l'utilisation de catalyseurs à un seul atome, qui a été présenté dans un article de Nature Chemistry en 2011.

"Les alliages à un seul atome sont utilisés pour l'hydrogénation sélective à basse température, mais personne n'a encore signalé son utilisation dans ce type de réduction à haute température, " dit Li. " Nous savons aussi que nous pourrions facilement surhydrogéner ces molécules, qui ne serait pas utilisable. La chose critique ici était de moduler le rapport d'hydrogène et de butadiène généré pendant la réaction."

Le procédé a été un succès :le catalyseur composite a atteint un éthanol à C 3+ réaction d'oléfine sans hydrogène externe et a décalé le rendement.

« Nous atteignons 78 % de sélectivité à 94 % de conversion d'éthanol, le plus élevé rapporté dans la littérature, " dit Li.

La recherche est une première pour combiner ces catalyseurs et fournit une nouvelle compréhension fondamentale du fonctionnement de ces matériaux. L'équipe de Li poussera la technique plus loin.

"Nous continuerons à optimiser ce procédé pour atteindre une sélectivité encore plus grande en catalyseur et un rendement en oléfine plus élevé, " a-t-il dit. " L'industrie aéronautique a besoin de carburants liquides à haute densité énergétique. Cette nouvelle technologie de catalyseur est une étape importante vers la réalisation d'énergies renouvelables, carburant d'aviation durable grâce à la conversion à l'éthanol.