La foudre en bouteille permet d’obtenir un carburant plus propre

Des chimistes de la Northwestern University ont découvert une nouvelle méthode pour transformer le gaz naturel en carburant liquide — et c’est littéralement de l’éclair en bouteille.

En exploitant de minuscules impulsions de plasma — ou de mini « éclairs » — dans des tubes de verre immergés dans l’eau, l’équipe a réussi à convertir directement le méthane en méthanol en une seule étape. Le méthanol est un produit chimique industriel polyvalent et très demandé, utilisé pour fabriquer de nombreux produits de consommation courante. Il est également couramment employé comme solvant industriel et suscite un intérêt croissant en tant que carburant à combustion plus propre pour les navires et les chaudières industrielles.

Cette méthode contourne les températures extrêmes et les hautes pressions requises par les procédés industriels actuels, qui fragmentent le méthane et le reconstruisent en méthanol via un processus en plusieurs étapes. Bien que fiable, la méthode actuelle est énergivore et émet des millions de tonnes de dioxyde de carbone chaque année dans le monde.

N’utilisant que de l’électricité, de l’eau et un catalyseur à base d’oxyde de cuivre, ce nouveau procédé pourrait offrir une voie plus propre et électrifiée pour produire l’un des blocs chimiques les plus utilisés au monde.

« Nous utilisons des impulsions d’électricité haute tension », explique Dayne Swearer, auteur correspondant de l’étude. « Si le potentiel électrique est suffisamment élevé, des éclairs se forment à l’intérieur de notre réacteur, comme lors d’un orage estival. Nous exploitons cette chimie pour rompre les liaisons du méthane sans chauffer l’ensemble du système à des températures extrêmes. »

Déchirer et reconstruire

L’un des produits chimiques de base les plus utilisés au monde, le méthanol est un ingrédient clé dans les plastiques, les peintures et les adhésifs. Plus récemment, les chercheurs ont exploré le méthanol en tant que carburant liquide prometteur car sa combustion produit moins d’émissions de soufre et de pollution particulaire que l’essence et le diesel.

Actuellement, l’industrie produit du méthanol via un processus en plusieurs étapes, commençant par le reformage à la vapeur. D’abord, le méthane est mis à réagir avec de la vapeur à des températures dépassant 800 degrés Celsius pour le décomposer en monoxyde de carbone et en hydrogène. Ensuite, ces gaz sont recombinés sous des pressions extrêmement élevées — 200 à 300 fois la pression atmosphérique standard — pour former du méthanol. Déchirer le méthane et le reconstruire consomme une quantité énorme de chaleur et génère intrinsèquement du dioxyde de carbone au passage.

« Les températures extrêmes sont nécessaires pour rompre les liaisons chimiques peu réactives entre le carbone et l’hydrogène dans le méthane », souligne Swearer. « Ensuite, vous devez utiliser une haute pression pour comprimer toutes ces molécules ensemble sur le catalyseur afin de former la molécule de méthanol. Cela fonctionne, mais ce n’est pas la voie la plus directe pour produire du méthanol à partir du méthane. »

Remplacer la chaleur par le plasma

Bien que les chercheurs aient longtemps cherché une solution plus économe en énergie en une seule étape, ils ont eu du mal à surmonter deux défis. Le méthane est exceptionnellement stable et difficile à fragmenter, nécessitant des conditions de réaction extrêmes. Ensuite, une fois le méthanol formé, il continue à réagir, se dégradant rapidement en dioxyde de carbone. Ainsi, le défi consiste non seulement à démarrer la réaction, mais aussi à l’arrêter au bon moment.

Pour surmonter ces problèmes, Swearer et son équipe se sont tournés vers le plasma, un état de la matière hautement énergétique rempli d’électrons « chauds » en mouvement rapide. La plupart des gens connaissent le plasma comme le type de matière qui compose le soleil ou les éclairs. Ce sont des exemples de plasmas chauds. Le groupe de Swearer travaille principalement avec des plasmas froids, dans lesquels la température des molécules de gaz est proche de la température ambiante, mais les électrons sont sélectivement chauffés à des températures pouvant dépasser des dizaines de milliers de degrés.

« Plus de 99 % de l’univers observable est composé de plasma », révèle James Ho, doctorant dans le laboratoire de Swearer et premier auteur de l’étude. « Mais bien qu’il soit omniprésent, c’est une ressource inexploitée dans le domaine de la chimie. La raison pour laquelle nous utilisons des plasmas froids est que nous pouvons les produire à basse température et dans des conditions de pression atmosphérique normale. »

Pour le nouveau procédé en une étape, Ho a construit un « réacteur à bulles de plasma », essentiellement un tube de verre poreux recouvert d’un catalyseur d’oxyde de cuivre. Ensuite, l’équipe a fait circuler du gaz méthane dans le tube tout en appliquant des impulsions électriques. L’électricité a transformé le gaz méthane en plasma, fragmentant le méthane et l’eau en morceaux hautement réactifs. Ces fragments se sont ensuite recombinés pour former du méthanol, qui se dissout immédiatement dans l’eau environnante. Cette « trempe » rapide a arrêté la réaction chimique au bon moment, empêchant le méthane de se décomposer en dioxyde de carbone.

Amélioration avec l’argon

Pour améliorer encore le procédé, l’équipe a dilué le méthane avec de l’argon, un gaz noble typiquement inerte. Mais, après avoir ionisé l’argon dans le plasma, les chimistes ont découvert qu’il devenait un participant actif et réactif dans le processus chimique, augmentant la densité électronique au sein du plasma et réduisant les sous-produits indésirables.

Dans les conditions optimisées avec présence d’argon, le système a démontré une sélectivité de 96,8 % en méthanol dans le mélange liquide. Autrement dit, parmi tous les produits liquides formés dans le processus, la majorité était du méthanol. Et, parmi tous les produits formés — gazeux et liquides — environ 57 % se sont retrouvés sous forme de méthanol.

« Nous avons également obtenu de l’éthylène, un précurseur de la production de plastique, et de l’hydrogène gazeux, un produit chimique de base important et un carburant zéro carbone en soi », ajoute Swearer. « Ainsi, nous avons pris du méthane, un gaz très abondant, et l’avons transformé en méthanol, ainsi qu’en éthylène, hydrogène et un peu de propane. Ce sont tous des produits intrinsèquement plus valorisants. »

Vers des systèmes plus petits et distribués

S’il est mis à l’échelle, le système à plasma pourrait permettre la création d’installations plus petites et distribuées utilisant l’électricité pour convertir le méthane en carburants liquides.

« Nous pourrions traiter des ressources éparses, comme des têtes de puits qui fuient et émettent naturellement du méthane dans l’environnement », précise Swearer. « Actuellement, la manière de gérer le méthane qui fuit est de le brûler pour le transformer en dioxyde de carbone, qui réchauffe le climat moins que le méthane mais reste clairement un problème. Au lieu de cela, nous pourrions apporter un réacteur à petite échelle sur le site de la fuite et transformer le méthane en un carburant liquide transportable. »

Ensuite, Swearer et son équipe prévoient d’optimiser davantage le système et d’explorer des moyens de récupérer et de séparer efficacement le méthanol en tant que produit purifié.

Swearer est professeur adjoint de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également membre de l’International Institute of Nanotechnology, de l’Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l’énergie et du Northwestern-Argonne Institute for Scientific and Engineering Excellence.

Article : Direct partial oxidation of methane at plasma-catalyst-liquid interfaces – Journal : Journal of the American Chemical Society – Méthode : Experimental study