Deux chercheurs de l'Université de Floride centrale ont développé de nouvelles méthodes pour produire de l'énergie et des matériaux à partir du gaz à effet de serre nocif qu'est le méthane.
Livre pour livre, l'impact comparatif du méthane sur l'atmosphère terrestre est 28 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone, un autre gaz à effet de serre majeur, sur une période de 100 ans, selon l'Agence américaine de protection de l'environnement.
En effet, le méthane est plus efficace pour piéger les radiations, même s'il a une durée de vie plus courte dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone.
Les principales sources d'émissions de méthane comprennent l'énergie et l'industrie, l'agriculture et les décharges.
Les nouvelles innovations UCF permettent d'utiliser le méthane dans la production d'énergie verte et de créer des matériaux hautes performances pour les appareils intelligents, la biotechnologie, les cellules solaires et bien plus encore.
Les inventions proviennent de la nanotechnologue Laurene Tetard et de l'expert en catalyse Richard Blair, qui sont des collaborateurs de recherche à l'UCF depuis 10 ans.
Tetard est professeur agrégé et directeur associé du département de physique de l'UCF et chercheur au NanoScience Technology Center, et Blair est professeur-chercheur au Florida Space Institute de l'UCF.
La première invention est un procédé permettant de produire de l'hydrogène à partir d'hydrocarbures, tels que le méthane, sans libérer de gaz carbonique.
En utilisant la lumière visible, comme un laser, une lampe ou une source solaire, et des photocatalyseurs riches en bore, l'innovation met en évidence une nouvelle fonctionnalité des matériaux à l'échelle nanométrique pour la capture assistée par la lumière visible et la conversion d'hydrocarbures comme le méthane. L'ingénierie des défauts fait référence à la création de matériaux à structure irrégulière.
L'invention UCF produit de l'hydrogène exempt de contaminants, tels que des composés polyaromatiques supérieurs, du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone, qui sont courants dans les réactions effectuées à des températures plus élevées sur des catalyseurs conventionnels.
Ce développement peut potentiellement réduire le coût des catalyseurs utilisés pour créer de l'énergie, permettre une conversion photocatalytique accrue dans le domaine visible et permettre une utilisation plus efficace de l'énergie solaire pour la catalyse.
Les applications commerciales incluent une éventuelle production à grande échelle d'hydrogène dans les fermes solaires et la capture et la conversion du méthane.
"Cette invention est en fait une double", dit Blair. "Vous obtenez de l'hydrogène vert et vous éliminez (pas vraiment séquestrez) le méthane. Vous transformez le méthane en hydrogène et en carbone pur qui peuvent être utilisés pour des choses comme les batteries."
Il explique que la production traditionnelle d'hydrogène utilise du méthane et de l'eau à haute température, mais qu'en plus de l'hydrogène, ce processus génère également du dioxyde de carbone.
"Notre processus utilise un gaz à effet de serre, le méthane, et le convertit en quelque chose qui n'est pas un gaz à effet de serre et en deux produits qui sont des produits précieux, l'hydrogène et le carbone", explique Blair. "Et nous avons supprimé le méthane du cycle."
Il a noté qu'au laboratoire Exolith de l'UCF, ils étaient capables de générer de l'hydrogène à partir du méthane en utilisant la lumière du soleil en plaçant le système sur un grand concentrateur solaire.
Sachant cela, il affirme que les pays qui ne disposent pas de sources d'énergie abondantes pourraient utiliser l'invention puisqu'ils n'auraient besoin que de méthane et de lumière solaire.
Outre les systèmes pétroliers et gaziers, le méthane existe dans les décharges, les zones industrielles et agricoles et les sites de traitement des eaux usées.
Cette technologie développée par Tetard et Blair est une méthode permettant de produire des structures de carbone à l'échelle nanométrique et micrométrique aux dimensions contrôlées. Il utilise la lumière et un photocatalyseur conçu par défaut pour créer des structures nanométriques et micrométriques à motifs et bien définies à partir de nombreuses sources de carbone. Les exemples incluent le méthane, l'éthane, le propane, le propène et le monoxyde de carbone.
"C'est comme avoir une imprimante 3D carbone au lieu d'une imprimante 3D polymère", explique Tetard. "Si nous disposons d'un outil comme celui-ci, alors peut-être que nous pourrions même proposer des modèles d'échafaudages en carbone qui sont impossibles aujourd'hui."
Blair dit que son rêve est de fabriquer des matériaux carbonés de haute performance à partir du méthane, ce qui n'est pas encore très bien réalisé, dit-il.
"Cette invention serait donc un moyen de fabriquer de tels matériaux à partir de méthane de manière durable et à grande échelle industrielle", explique Blair.
Les structures de carbone produites sont petites mais bien structurées et peuvent être disposées avec précision, avec des tailles et des motifs précis.
"Maintenant, nous parlons d'applications coûteuses, peut-être pour des dispositifs médicaux ou de nouveaux capteurs chimiques", explique Blair. "Cela devient une plateforme pour développer toutes sortes de produits. L'application n'est limitée que par l'imagination."
Étant donné que le processus de croissance est réglable à différentes longueurs d'onde, les méthodes de conception pourraient incorporer divers lasers ou illuminations solaires.
Le laboratoire de Tetard, qui travaille à l'échelle nanométrique, tente maintenant d'en réduire la taille.
"Nous essayons de réfléchir à un moyen de tirer les leçons du processus et de voir comment le faire fonctionner même à des échelles plus petites :contrôler la lumière dans un volume minuscule", dit-elle.
"À l'heure actuelle, la taille des structures est microscopique, car le volume focal de lumière que nous créons est microscopique", explique-t-elle. "Donc, si nous pouvons contrôler la lumière dans un volume minuscule, nous pourrons peut-être faire croître des objets de taille nanométrique pour obtenir des nanostructures à motifs mille fois plus petites. C'est quelque chose que nous envisageons de mettre en œuvre à l'avenir. Et puis, si cela devient possible, il y a beaucoup de choses que nous pouvons faire avec ça."
La technologie améliorée et plus propre des chercheurs pour produire de l'hydrogène a en fait été inspirée par une de leurs méthodes innovantes antérieures qui fabrique du carbone à partir de nitrure de bore mal conçu en utilisant la lumière visible.
Ils ont découvert une nouvelle façon de produire du carbone et de l'hydrogène grâce à un craquage chimique des hydrocarbures avec de l'énergie fournie par un couplage de lumière visible avec un catalyseur sans métal, le nitrure de bore conçu par défaut.
Par rapport à d'autres méthodes, c'est mieux car elle ne nécessite pas beaucoup d'énergie, de temps, ni de réactifs ou précurseurs spéciaux qui laissent des impuretés.
Il ne reste que du carbone et quelques traces de bore et d'azote, dont aucun n'est toxique pour l'homme ou l'environnement.
La technologie de transformation photochimique se prête à de nombreuses applications, notamment des capteurs ou de nouveaux composants pour la nanoélectronique, le stockage d'énergie, les dispositifs quantiques et la production d'hydrogène vert.
En tant que collaborateurs de longue date, Tetard et Blair ne connaissent que trop bien le vieil adage : « Si vous ne réussissez pas du premier coup, essayez, réessayez ».
"Il a fallu du temps pour obtenir des résultats vraiment intéressants", explique Tetard. "Au début, une grande partie de la caractérisation que nous avons essayé de faire ne fonctionnait pas comme nous le souhaitions. Nous nous sommes assis à de nombreuses reprises pour discuter d'observations déroutantes."
Pourtant, ils ont persévéré et leur persévérance a été récompensée par leurs nouvelles inventions.
"Richard a un million d'idées différentes sur la manière de résoudre les problèmes", explique Tetard. "Donc, finalement, nous trouverions quelque chose qui fonctionne."
Elle et Blair ont uni leurs forces peu de temps après leur rencontre en 2013 au département de physique de l'UCF. Blair venait de découvrir des propriétés catalytiques du composé chimique nitrure de bore qui étaient "inouïes" et souhaitait publier l'information et faire plus de recherches.
Il avait un collaborateur pour la modélisation théorique, Talat Rahman, un éminent professeur Pegasus au Département de physique, mais il avait besoin de quelqu'un pour l'aider à caractériser les résultats.
"Au niveau de la caractérisation, ce n'est pas là que réside ma force", dit-il. "J'ai des atouts qui complètent ceux de Laurene. Il était logique de voir si nous pouvions faire quelque chose ensemble et si elle pouvait apporter un éclairage à ce que nous voyions."
Ainsi, en collaboration avec Rahman et la National Science Foundation des États-Unis, ils espéraient acquérir une compréhension moléculaire des propriétés catalytiques du nitrure de bore hexagonal (structuré en cristaux), un catalyseur sans métal, chargé de défauts.
Les catalyseurs typiques sont souvent constitués de métaux, et le nitrure de bore, parfois appelé « graphite blanc », a eu de nombreuses utilisations industrielles en raison de ses propriétés glissantes, mais pas pour la catalyse.
"Jusqu'à notre arrivée, ce type de nitrure de bore était considéré comme simplement inerte", explique Blair. "Peut-être un lubrifiant, peut-être pour les cosmétiques. Mais il n'avait aucune utilisation chimique. Cependant, grâce à des défauts d'ingénierie, l'équipe de recherche a découvert que le composé avait un grand potentiel pour produire du carbone et de l'hydrogène vert, éventuellement en grands volumes." P>
La technologie développée par l'équipe pour fabriquer du carbone à partir de nitrure de bore créé par défaut en utilisant la lumière visible est arrivée de manière inattendue.
Blair dit que pour analyser la surface du catalyseur, ils le placeraient dans un petit récipient, le mettraient sous pression avec un hydrocarbure gazeux, tel que le propène, puis l'exposeraient à la lumière laser.
"À chaque fois, cela a produit deux choses frustrantes", dit-il. "Le catalyseur lui-même émettait une lumière qui masquait toutes les données dont nous avions besoin, et l'étudiant n'arrêtait pas de dire :'il est en train de brûler' et je dirais que c'est impossible. Il n'y a pas de carbone sur le catalyseur."
"Et il n'y avait pas d'oxygène", ajoute Tetard. Ils étaient perplexes.
"Si nous voulions étudier ce point brûlant, il fallait qu'il soit plus grand", dit-elle.
Une fois qu'ils ont réussi à produire un échantillon plus grand, ils l'ont soumis au microscope électronique.
"Nous avons commencé à voir quelques lignes, mais c'est une poudre libre et salissante, donc elle ne devrait pas être commandée", a déclaré Tetard. "Mais lorsque nous avons zoomé davantage, nous avons vu du carbone en grande quantité, avec la poudre de nitrure de bore, conçue par défaut, accrochée au sommet."
Ce qui était considéré comme un problème était en réalité un hasard, car la découverte permettrait la production d'hydrogène à basse température et la production de carbone comme sous-produit sans rejet de gaz à effet de serre ou de polluants.
Fourni par l'Université de Floride centrale
