L’éthylène est parfois considéré comme le produit chimique le plus important de l’industrie pétrochimique car il sert de matière première pour une vaste gamme de produits du quotidien. Il est utilisé pour produire de l'antigel, du vinyle, du caoutchouc synthétique, de la mousse isolante et des plastiques de toutes sortes.
Actuellement, l’éthylène est produit par un processus à forte intensité d’énergie et de ressources appelé vapocraquage, où des températures et des pressions extrêmes produisent de l’éthylène à partir du pétrole brut en présence de vapeur et, ce faisant, émettent des tonnes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.
Cependant, une autre façon de produire de l'éthylène consiste à utiliser un processus appelé couplage oxydatif du méthane (OCM). Il a le potentiel d'être une alternative plus écologique au vapocraquage, mais jusqu'à récemment, la quantité d'éthylène qu'il produit ne rendait pas le processus économiquement viable.
"Jusqu'à présent, le rendement catalytique a été inférieur à 30 % pour un seul passage, ce qui signifie simplement faire passer le méthane et l'oxygène à travers le catalyseur et obtenir de l'éthylène de l'autre côté", explique Bar Mosevitzky Lis, chercheur postdoctoral au Département de chimie. et génie biomoléculaire au P.C. de l'Université Lehigh. Collège Rossin d'ingénierie et de sciences appliquées.
"Des études qui ont simulé l'ensemble du processus industriel à l'aide de l'OCM ont montré que la technologie ne devient rentable que lorsque le rendement en un seul passage atteint entre 30 et 35 %."
OCM est désormais sur le point de quitter le laboratoire et d’entrer dans le monde réel. Pour la première fois, des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord (NCSU) et de l'Université Lehigh, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de conversion énergétique de Guangzhou et de l'Université des sciences et technologies de Chine orientale, ont développé un catalyseur OCM qui dépasse 30 % lorsqu'il est utilisé. vient à la production d'éthylène.
L'article décrivant leur avancée a été récemment publié dans Nature Communications. .
La collaboration a été dirigée par Fanxing Li, professeur d'ingénierie Alcoa au NCSU. Son équipe a développé une classe de noyau-coquille Li2 CO3 -des oxydes mixtes de terres rares enrobés comme catalyseurs pour le couplage oxydatif du méthane à l'aide d'un schéma de boucle chimique. Le résultat a été un rendement en un seul passage allant jusqu'à 30,6 %.
"L'idée du bouclage chimique est qu'au lieu de faire une co-alimentation de méthane et d'oxygène dans la chambre avec le catalyseur, vous le faites de manière séquentielle", explique Mosevitzky Lis, qui est également l'un des co-auteurs de l'étude.
"Au fil du temps, vous perdez de l'oxygène du catalyseur et celui-ci devient inefficace. Avec le bouclage chimique, vous commencez avec du méthane, puis passez à l'oxygène, puis revenez au méthane, et l'oxygène sert à réoxyder continuellement le catalyseur, reconstituant ainsi sa capacité à fournir de l'oxygène pour la réaction."
Mosevitzky Lis et son équipe de Lehigh, dirigée par Israel Wachs, professeur G. Whitney Snyder de génie chimique et biomoléculaire et directeur du laboratoire de recherche en spectroscopie moléculaire et catalyse Operando, ont procédé à la caractérisation du catalyseur.
"Notre spécialisation concerne la caractérisation de surface in situ", explique Mosevitzky Lis, "ce qui signifie que nous caractérisons la surface des catalyseurs pendant que la réaction est en cours. Nous appliquons un large éventail de techniques physiques et chimiques pour comprendre les transformations que subissent les catalyseurs pendant le déroulement de la réaction catalytique. à leur surface et comment ces transformations sont liées à ce qui en fait de si bons catalyseurs."
Il dit que le catalyseur est composé d'un noyau d'oxyde mixte recouvert de carbonate de lithium et que l'interaction entre le noyau et l'enveloppe lors du bouclage chimique est responsable du rendement élevé. Les résultats signifient que, pour la première fois, la transformation du méthane, présent dans le gaz naturel et le biogaz, en éthylène pourrait être à la portée de l'industrie.
"OCM a le potentiel d'être moins cher et plus efficace en termes d'énergie et d'émissions", dit-il. "De plus, au lieu d'utiliser du pétrole brut, vous utilisez du méthane qui provient généralement du gaz naturel, mais qui pourrait également être généré à l'avenir à partir du biogaz et de la réduction électrochimique du dioxyde de carbone. Et une fois que vous avez de l'éthylène, vous êtes en mesure de transformer dans d'innombrables produits utilisés dans le monde entier."
L’étape suivante consiste à déterminer l’adéquation du catalyseur à une production à l’échelle industrielle tout en essayant d’augmenter encore le rendement. Mais pour l'instant, le fait d'avoir enfin amélioré une méthode qui est restée une promesse non tenue depuis les années 1980 marque une étape importante.
"La complexité du système et la dynamique qui se produit, c'est presque comme de l'art", explique Mosevitzky Lis. "Le noyau et l'enveloppe du catalyseur subissent des processus très extrêmes, générant toutes sortes de choses intéressantes à la surface. C'est magnifique."
Plus d'informations : Kun Zhao et al, Oxydes mixtes de terres rares promus par le carbonate de lithium comme stratégie généralisée pour le couplage oxydatif du méthane avec des rendements exceptionnels, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43682-5
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université de Lehigh
