Superbe travail pour l ‘industrie et l environnement
Found: The
'holy grail of catalysis'—turning methane into methanol under ambient
conditions using light
by Oak Ridge National Laboratory
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Trouvé : Le « Saint Graal de la
catalyse » - transformer le méthane en méthanol dans des conditions ambiantes
en utilisant la lumière
par le laboratoire national d'Oak
Ridge
PHOTO/Crédit : ORNL/Jill Hemman
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 c’est un domaine d'intérêt
pour la recherche soutenue par le Département américain de l'énergie. Les
détails des découvertes de l'équipe, intitulées "Photo-oxydation directe
du méthane en méthanol sur un site mono-hydroxyle de fer", 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 de son extraction, de son
transport et de son stockage.
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.
Rompre le lien
L'un des principaux défis de la
conversion du méthane (CH4) en méthanol (CH3OH) 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 d'eau saturée en CH4 et O2 est passé à travers une couche
de granulés MOF tout en étant exposé 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, en oxygène et en
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."
"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 du MOF qui affaiblissent les liaisons C-H", a déclaré
Yongqiang Cheng, scientifique des instruments 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 d'affaiblissement des liaisons entre le CH4 et le MOF avec des
techniques avancées de spectroscopie de neutrons."
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.
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information: Sihai Yang, Direct photo-oxidation of methane to methanol over a
mono-iron hydroxyl site, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01279-1. www.nature.com/articles/s41563-022-01279-1
Journal information: Nature Materials
Provided by
Oak Ridge National Laboratory
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COMMENTAOIRES
Je ne saurais trop féliciter Manchester
University USA de cette découverte
et je suis heureux que le dispositif
fournisseur de neutrons d’ Oakridge y
ait participé …Oakridge est pour moi l’ ancien centre de séparation de l’uranium
par diffusion gazeuse et me rappelle illico mes 25 ans de travail à SACLAY
/PIERRELATTE ..J ‘aimerais bien qu’ils étudient aussi la transformation de
certains déchets nucléaires par spallation
….Mais un aussi grand pays n’a pas de problèmes pour loger ses déchets !!!
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