Un groupe de chercheurs a réussi à convertir le méthane en méthanol en utilisant la lumière et des métaux de transition dispersés comme le cuivre dans un processus connu sous le nom de photo-oxydation. Cette réaction est la meilleure obtenue à ce jour pour la conversion du méthane en carburant liquide dans des conditions ambiantes de température et de pression (25 °C et 1 bar respectivement).
Le terme bar, en tant qu'unité de pression, dérive du mot grec pour poids (baros). Un bar est équivalent à 100 000 Pascals (100 kPa), ce qui est très proche de la pression atmosphérique standard au niveau de la mer (101 325 Pa).
Les résultats de l'étude constituent une étape importante dans la mise à disposition du gaz naturel comme source d'énergie pour la production de carburants alternatifs à l'essence et au diesel. Bien que le gaz naturel soit considéré comme un combustible fossile, sa conversion en méthanol émet moins de dioxyde de carbone (CO2) que les autres combustibles liquides de la même catégorie.
Au Brésil, le méthanol joue un rôle essentiel dans la production de biodiesel et dans l'industrie chimique, qui l'utilise pour synthétiser de nombreux produits.
En outre, la capture du méthane dans l'atmosphère est cruciale pour atténuer les effets néfastes du changement climatique, car ce gaz a un potentiel 25 fois supérieur à celui du CO2, par exemple, pour contribuer au réchauffement de la planète.
"L'importance des réserves de méthane de la planète fait l'objet d'un grand débat au sein de la communauté scientifique. Selon certaines estimations, elles pourraient avoir un potentiel énergétique double de celui de tous les autres combustibles fossiles réunis. Dans le cadre de la transition vers les énergies renouvelables, nous devrons un jour ou l'autre exploiter tout ce méthane", a déclaré Marcos da Silva, premier auteur de l'article, à Agência FAPESP. M. Silva est doctorant au département de physique de l'université fédérale de São Carlos (UFSCar).
Selon Ivo Freitas Teixeira, professeur à l'UFSCar, directeur de thèse de Silva et dernier auteur de l'article, le photocatalyseur utilisé dans l'étude a constitué une innovation clé. "Notre groupe a innové de manière significative en oxydant le méthane en une seule étape", a-t-il déclaré. "Dans l'industrie chimique, cette conversion se fait via la production d'hydrogène et de CO2 en au moins deux étapes et dans des conditions de température et de pression très élevées. Notre succès dans l'obtention de méthanol dans des conditions douces, tout en dépensant moins d'énergie, est un grand pas en avant."
Selon M. Teixeira, les résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur l'utilisation de l'énergie solaire pour ce processus de conversion, ce qui pourrait réduire encore davantage son impact environnemental.
Photocatalyseurs
En laboratoire, les scientifiques ont synthétisé du nitrure de carbone cristallin sous forme de polyheptazine imide (PHI), en utilisant des métaux de transition non nobles ou abondants sur terre, notamment le cuivre, pour produire des photocatalyseurs actifs à la lumière visible.
Ils ont ensuite utilisé les photocatalyseurs dans des réactions d'oxydation du méthane avec du peroxyde d'hydrogène comme initiateur. Le catalyseur cuivre-PHI a généré un grand volume de produits liquides oxygénés, notamment du méthanol (2 900 micromoles par gramme de matière, ou µmol.g-1 en quatre heures).
"Nous avons découvert le meilleur catalyseur et d'autres conditions essentielles à la réaction chimique, comme l'utilisation d'une grande quantité d'eau et d'une petite quantité seulement de peroxyde d'hydrogène, qui est un agent oxydant", a déclaré Teixeira. "Les prochaines étapes consistent à mieux comprendre les sites actifs du cuivre dans le matériau et leur rôle dans la réaction. Nous prévoyons également d'utiliser directement l'oxygène pour produire du peroxyde d'hydrogène dans la réaction elle-même. En cas de succès, cela devrait rendre le processus encore plus sûr et économiquement viable."
Un autre point que le groupe va continuer à étudier concerne le cuivre. "Nous travaillons avec du cuivre dispersé. Lorsque nous avons écrit l'article, nous ne savions pas si nous avions affaire à des atomes isolés ou à des clusters. Nous savons maintenant qu'il s'agit de grappes", a-t-il expliqué.
Dans l'étude, les scientifiques ont utilisé du méthane pur, mais à l'avenir, ils extrairont le gaz de sources renouvelables telles que la biomasse. Selon les Nations unies, le méthane a jusqu'à présent causé environ 30 % du réchauffement climatique depuis l'ère préindustrielle. Les émissions de méthane dues à l'activité humaine pourraient être réduites de 45 % au cours de la prochaine décennie, ce qui permettrait d'éviter une augmentation de près de 0,3 °C d'ici à 2045.
La stratégie consistant à convertir le méthane en carburant liquide à l'aide d'un photocatalyseur est nouvelle et n'est pas disponible dans le commerce, mais son potentiel à court terme est important. "Nous avons commencé nos recherches il y a plus de quatre ans. Nous avons maintenant des résultats bien meilleurs que ceux du professeur Hutchings et de son groupe en 2017, ce qui a motivé nos propres recherches", a déclaré Teixeira, faisant référence à une étude publiée dans la revue Science par des chercheurs affiliés à des universités des États-Unis et du Royaume-Uni, et dirigée par Graham Hutchings, professeur à l'université de Cardiff au Pays de Galles.