Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des scientifiques de l'Université de Manchester, a mis au point une méthode rapide et économique de conversion du méthane, ou gaz naturel, en méthanol liquide à température et pression ambiantes. Le procédé se déroule sous flux continu sur un matériau photocatalytique en utilisant la lumière visible pour piloter la conversion.

Pour aider à observer le fonctionnement du processus et sa sélectivité, les chercheurs ont utilisé la diffusion de neutrons sur l'instrument VISION de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge.

Le procédé implique un flux continu de méthane/eau saturée en oxygène sur un nouveau catalyseur à structure organométallique (MOF). Le MOF est poreux et contient différents composants qui ont chacun un rôle dans l'absorption de la lumière, le transfert d'électrons et l'activation et la réunion du méthane et de l'oxygène. Le méthanol liquide est facilement extrait de l'eau. Un tel processus a généralement été considéré comme "un Saint Graal de la catalyse" et est un domaine d'intérêt pour la recherche soutenue par le Département américain de l'énergie. Les détails des découvertes de l'équipe, intitulées "Direct photo-oxidation of methane to methanol over a mono-iron hydroxyl site", sont publiés dans Nature Materials.

Le méthane d'origine naturelle est un combustible abondant et précieux, utilisé pour les fours, les chaudières, les chauffe-eau, les fours, les automobiles et les turbines. Cependant, le méthane peut aussi être dangereux en raison de la difficulté à l'extraire, le transporter et le stocker.

Le gaz méthane est également nocif pour l'environnement lorsqu'il est rejeté ou s'échappe dans l'atmosphère, où il est un puissant gaz à effet de serre. Les principales sources de méthane atmosphérique comprennent la production et l'utilisation de combustibles fossiles, la décomposition ou la combustion de la biomasse comme les incendies de forêt, les déchets agricoles, les décharges et la fonte du pergélisol.

L'excès de méthane est généralement brûlé ou brûlé à la torche pour réduire son impact sur l'environnement. Cependant, ce processus de combustion produit du dioxyde de carbone, qui est lui-même un gaz à effet de serre.

L'industrie a longtemps cherché un moyen économique et efficace de convertir le méthane en méthanol, une matière première hautement commercialisable et polyvalente utilisée pour fabriquer une variété de produits de consommation et industriels. Cela contribuerait non seulement à réduire les émissions de méthane, mais constituerait également une incitation économique à le faire.

Le méthanol est une source de carbone plus polyvalente que le méthane et est un liquide facilement transportable. Il peut être utilisé pour fabriquer des milliers de produits tels que des solvants, de l'antigel et des plastiques acryliques; tissus et fibres synthétiques; adhésifs, peinture et contreplaqué; et les agents chimiques utilisés dans les produits pharmaceutiques et agrochimiques. La conversion du méthane en un carburant de grande valeur tel que le méthanol devient également plus attrayante à mesure que les réserves de pétrole diminuent.

Briser le lien

L'un des principaux défis de la conversion du méthane (CH₄ ) en méthanol (CH₃ OH) a été la difficulté d'affaiblir ou de rompre la liaison chimique carbone-hydrogène (C-H) afin d'insérer un atome d'oxygène (O) pour former une liaison C-OH. Les méthodes conventionnelles de conversion du méthane impliquent généralement deux étapes, le reformage à la vapeur suivi de l'oxydation du gaz de synthèse, qui sont énergivores, coûteuses et inefficaces car elles nécessitent des températures et des pressions élevées.

Le processus rapide et économique de transformation du méthane en méthanol développé par l'équipe de recherche utilise un matériau MOF multicomposant et de la lumière visible pour piloter la conversion. Un flux de CH₄ et O₂ de l'eau saturée est passée à travers une couche de granulés MOF tout en étant exposée à la lumière. Le MOF contient différents composants conçus qui sont situés et maintenus dans des positions fixes à l'intérieur de la superstructure poreuse. Ils travaillent ensemble pour absorber la lumière afin de générer des électrons qui sont transmis à l'oxygène et au méthane à l'intérieur des pores pour former du méthanol.

"Pour simplifier considérablement le processus, lorsque le gaz méthane est exposé au matériau MOF fonctionnel contenant des sites mono-fer-hydroxyle, les molécules d'oxygène activé et l'énergie de la lumière favorisent l'activation de la liaison C-H dans le méthane pour former du méthanol", a déclaré Sihai. Yang, professeur de chimie à Manchester et auteur correspondant. "Le processus est 100 % sélectif, ce qui signifie qu'il n'y a pas de sous-produit indésirable, comparable à la méthane monooxygénase, qui est l'enzyme naturelle de ce processus."

Les expériences ont démontré que le catalyseur solide peut être isolé, lavé, séché et réutilisé pendant au moins 10 cycles, soit environ 200 heures de temps de réaction, sans aucune perte de performance.

Le nouveau processus photocatalytique est analogue à la façon dont les plantes convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique lors de la photosynthèse. Les plantes absorbent la lumière du soleil et le dioxyde de carbone à travers leurs feuilles. Un processus photocatalytique convertit ensuite ces éléments en sucres, oxygène et vapeur d'eau.

"Ce processus a été qualifié de" Saint Graal de la catalyse ". Au lieu de brûler du méthane, il est désormais possible de convertir le gaz directement en méthanol, un produit chimique de grande valeur qui peut être utilisé pour produire des biocarburants, des solvants, des pesticides et des additifs pour carburants pour les véhicules », a déclaré Martin Schröder, vice-président et doyen de faculté des sciences et de l'ingénierie de Manchester et auteur correspondant. "Ce nouveau matériau MOF peut également être capable de faciliter d'autres types de réactions chimiques en servant comme une sorte de tube à essai dans lequel nous pouvons combiner différentes substances pour voir comment elles réagissent."

Utiliser des neutrons pour visualiser le processus

"L'utilisation de la diffusion des neutrons pour prendre des "photos" à l'instrument VISION a initialement confirmé les fortes interactions entre le CH₄ et les sites mono-fer-hydroxyle dans le MOF qui affaiblissent les liaisons C-H », a déclaré Yongqiang Cheng, chercheur en instrumentation à la Direction des sciences neutroniques de l'ORNL.

« VISION est un spectromètre vibrationnel à neutrons à haut débit optimisé pour fournir des informations sur la structure moléculaire, les liaisons chimiques et les interactions intermoléculaires », a déclaré Anibal « Timmy » Ramirez Cuesta, qui dirige le groupe de spectroscopie chimique au SNS. "Les molécules de méthane produisent des signaux de diffusion de neutrons forts et caractéristiques à partir de leur rotation et de leurs vibrations, qui sont également sensibles à l'environnement local. Cela nous permet de révéler sans ambiguïté les interactions affaiblissant les liaisons entre CH₄ et le MOF avec des techniques avancées de spectroscopie neutronique."

Rapide, économique et réutilisable

En éliminant le besoin de températures ou de pressions élevées et en utilisant l'énergie de la lumière du soleil pour piloter le processus de photo-oxydation, la nouvelle méthode de conversion pourrait réduire considérablement les coûts d'équipement et d'exploitation. La vitesse plus élevée du procédé et sa capacité à convertir le méthane en méthanol sans sous-produits indésirables faciliteront le développement d'un traitement en ligne qui minimise les coûts. + Explorer plus loin

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