L'hydrocarbure méthane est très abondant sur Terre, mais on sait désormais que sa libération contribue aux augmentations de température et au changement climatique. Ces dernières années, les chercheurs ont tenté de concevoir des méthodes fiables pour convertir directement le méthane en d'autres carburants et produits chimiques avec de précieuses applications concrètes.
Ces stratégies incluent des méthodes basées sur des catalyseurs pour provoquer le couplage oxydatif du méthane à des substances contenant le carbone diatomique du gaz vert (C2 ). Cependant, cette réaction nécessite généralement des conditions environnementales extrêmes et difficiles, en raison des caractéristiques défavorables des thermocatalyseurs introduits jusqu'à présent.
Des chercheurs de l'University College London de l'Université de Liverpool ont récemment développé un nouveau photocatalyseur qui pourrait faire progresser le couplage oxydatif du méthane. Ce photocatalyseur, présenté dans Nature Energy , est à base de dioxyde de titane (TiO2 ) chargé de nanoclusters d'or (Au).
"Le couplage oxydatif photocatalytique du méthane (OCM) produit du C2 molécules qui peuvent être utilisées comme éléments de base pour la synthèse de carburants et de produits chimiques", ont écrit Xiyi Li, Chao Li et leurs collègues dans le journal. "Cependant, le taux de rendement et la sélectivité du C2 les produits sont encore modérés en raison de la nature stable des molécules de méthane."
Grâce à une méthode de pulvérisation rapide, les chercheurs ont pu charger de manière homogène des nanoclusters Au sur TiO2 , produisant leur nouveau photocatalyseur prometteur. Lors des premiers tests, un échantillon optimisé de leur photocatalyseur a semblé fonctionner remarquablement bien, convertissant le méthane en C2 à une vitesse élevée et sans nécessiter de conditions de réaction particulièrement dures.
"Nous développons un TiO2 chargé en nanocluster d'Au photocatalyseur par pulvérisation cathodique, atteignant un taux de conversion de méthane élevé de 1,1 mmol h −1 , C2 une sélectivité d'environ 90 % et une efficacité quantique apparente de 10,3 ± 0,6 %", ont expliqué Xiyi Li, Chao Li et leurs collègues dans l'étude.
"Le C2 élevé /C2+ le taux de rendement est du même ordre de grandeur que celui des catalyseurs thermiques de référence dans les procédés OCM fonctionnant à haute température (>680 °C). Il a été démontré que les nanoparticules Au prolongent TiO2 durées de vie des photoélectrons d'un facteur 66 pour O2 réduction, avec Au agissant comme accepteur de trous et centre catalytique pour favoriser l'adsorption du méthane, l'activation C-H et le couplage C-C", ont-ils poursuivi.
Dans l’ensemble, cette étude démontre les avantages de l’utilisation de catalyseurs basés sur divers composants ayant différentes fonctions et caractéristiques pour permettre le couplage oxydatif du méthane. Leur photocatalyseur proposé, Au60s/TiO2 , s'est avéré surpasser de nombreux catalyseurs précédemment signalés qui peuvent déclencher cette réaction, en termes de stabilité, de taux de conversion du méthane et de rendement en C2. .
Notamment, le photocatalyseur de l’équipe est également facile à fabriquer, ce qui pourrait faciliter sa production et son déploiement à grande échelle. D'autres études pourraient bientôt permettre de valider les performances du nouveau Au60s/TiO2 photocatalyseur et évaluer son applicabilité dans des contextes réels.
À l’avenir, cette étude pourrait également ouvrir la voie à la fabrication d’autres photocatalyseurs multimatériaux prometteurs pour la conversion fiable et directe du méthane. Collectivement, ces efforts pourraient contribuer à une utilisation précieuse des abondantes réserves de méthane sur Terre.
Plus d'informations : Xiyi Li et al, Extraction efficace de trous pour un couplage oxydatif hautement sélectif du méthane par TiO2 pulvérisé au Au photocatalyseurs, Nature Energy (2023). DOI :10.1038/s41560-023-01317-5
Informations sur le journal : Énergie naturelle
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