Du « craquage » propre à l’or noir

Steinur Bell

Dans le laboratoire de Götz Veser à la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh, alors candidat au doctorat, Aime Laurent Twizerimana pompait de l’éthane à travers du métal en fusion à des températures inférieures à 1 000 degrés Celsius lorsque quelque chose d’inattendu s’est produit. Le sous-produit carboné qui remontait à la surface semblait « duveteux ». Ce sous-produit s’est avéré être du graphite de haute qualité.

Alors qu’il recherchait un moyen plus propre et plus efficace de produire de l’éthylène, Twizerimana avait découvert le nouvel « or noir », comme on appelle le graphite dans les industries de haute technologie et automobiles. Ce graphite est un ingrédient clé des batteries lithium-ion, essentielles pour les véhicules électriques, l’électronique moderne et le stockage d’énergie verte. Cependant, les méthodes actuelles de production de graphite, qui nécessitent des températures de 3 000 °C, sont loin d’être efficaces sur le plan énergétique, et aujourd’hui 95 % du matériau vient de Chine.

Conscients de la nécessité de produire du graphite et de l’hydrogène nationaux plus efficacement, l’équipe de Pitt composée de Veser et Twizerimana, avec le professeur assistant Mohammad Masnadi et l’étudiant en doctorat Nader Sawtarie, a déposé un brevet provisoire et lancé la startup Graphonos Materials (anciennement Grapheon). L’entreprise a démontré sa nouvelle technologie en laboratoire et a attiré l’attention des investisseurs en capital-risque, plus récemment lors du Rice Business Plan Competition, où elle a remporté un prix Aramco Innovator de 20 000 $.

Une découverte inattendue

« Un frein à la transition vers une énergie plus propre est l’attitude selon laquelle on est soit pour, soit contre les énergies renouvelables », a déclaré Veser, professeur de génie chimique et pétrolier à la Swanson School et titulaire de la chaire Leonard Peters Faculty Fellow dans le programme Covestro d’économie circulaire. « Mes recherches explorent les moyens de relier le traitement des combustibles fossiles à un avenir plus durable, en soutenant cette transition. »

Avec Masnadi, qui occupe également désormais le poste de directeur du développement durable de Graphonos Materials, Veser a étudié de nouvelles méthodes pour séparer, ou « craquer », l’éthane, un ingrédient principal du gaz naturel que l’on trouve dans l’ouest de la Pennsylvanie. Le craquage de l’éthane en éthylène nécessite de la chaleur et génère du carbone solide par des réactions secondaires, et l’approche la plus courante consiste à injecter de la vapeur dans un réacteur pour éviter le colmatage des tubes du réacteur.

« C’est un processus très gourmand en énergie et en émissions, où l’accumulation de carbone dans le réacteur nécessite des arrêts réguliers pour le nettoyage », a déclaré Veser, qui est également directeur technique de Graphonos Materials. « En cherchant une alternative plus propre, nous nous sommes tournés vers la catalyse par métaux en fusion, une technique qui n’est pas largement utilisée mais qui existe depuis près d’un siècle déjà. »

Au lieu d’utiliser un catalyseur métallique solide, les chercheurs ont pompé l’éthane à travers du métal en fusion, où il se déshydrogène. « Les métaux en fusion présentent un avantage incroyable », a déclaré Masnadi. « En raison de l’extrême densité des métaux liquides, le carbone flotte et se dépose à la surface. »

Pour ses recherches de doctorat, Twizerimana, désormais PDG de Graphonos Materials et chercheur postdoctoral à la Swanson School, étudiait ce processus. Comme il l’a dit, « C’était vers la fin de mon doctorat, et j’ai réalisé qu’avec certains des métaux que nous avons utilisés, le carbone qui se formait ressortait différemment, plus duveteux. Nous avons décidé d’examiner cela de plus près. »

Twizerimana s’est tourné vers Sawtarie, un autre étudiant diplômé qui étudiait les propriétés uniques des métaux 2D dans le laboratoire de nanoionique et d’électronique du professeur Susan Fullerton. « Une partie de mes recherches de doctorat portait sur le graphène, une forme de graphite », a déclaré Sawtarie, directeur des produits chez Graphonos Materials. « J’ai caractérisé le sous-produit, qui s’est avéré incroyablement précieux. »

Un voyage au « Super Bowl »

« En cherchant de nouvelles façons de craquer l’éthane, nous avons découvert que nous pouvions produire du graphite de qualité batterie en chauffant l’éthane à des températures inférieures à 1 000 °C », a déclaré Twizerimana. « Nous produisons du graphite selon un procédé plus durable et économiquement compétitif, avec de l’hydrogène généré comme coproduit précieux. »

Aujourd’hui, la majeure partie du graphite de qualité batterie est produite en Chine par un processus extrêmement énergivore. Le coke de pétrole cristallin, appelé coke en aiguilles, est chauffé à 3 000 °C dans un processus par lots très lent, où un seul lot peut prendre jusqu’à trois semaines. Des producteurs nationaux de graphite existent, utilisant ce processus intensif, mais le graphite est plus cher qu’en Chine, qui domine le marché.

L’équipe de Pitt a développé et validé un processus qui a couvert deux laboratoires de la Swanson School et a produit deux ingrédients clés pour un avenir énergétique plus propre. Lors du lancement de Graphonos Materials, ils ont trouvé un soutien précieux au Big Idea Center de Pitt. Ce centre aide les étudiants et les entrepreneurs enseignants à concrétiser leurs idées et à développer et présenter leurs pitchs.

Ce soutien a aidé Graphonos Materials à atteindre ce que le professeur de Pitt Christopher Wilmer appelle « le Super Bowl des concours de pitch ». Sur les plus de 550 équipes du monde entier qui ont postulé pour participer au Rice Business Plan Competition, 41 ont été sélectionnées avec Graphonos Materials.

En avril dernier lors de la compétition, ils faisaient partie des 15 équipes à atteindre les demi-finales et des deux équipes à remporter un prix Aramco Innovator de 20 000 $. Selon Aramco Ventures, ce prix « récompense les solutions les plus avant-gardistes et à fort impact de la compétition de cette année et célèbre les entrepreneurs qui incarnent cet esprit de découverte et d’excellence technique. »

À Pitt, l’équipe a également remporté le grand prix de 25 000 $ du Big Idea Competition. Ensemble, ces prix ont validé leur travail et son potentiel à transformer la façon dont le graphite et l’hydrogène sont produits. « Nous avons appris qu’il existe un fort besoin de graphite durable et à faible coût sur le marché », a déclaré Twizerimana. « C’est le bon moment pour y répondre. »

« Nous collectons des fonds pour développer notre premier système intégré à l’échelle du laboratoire, qui nous permettra de produire des kilogrammes par jour et nous donnera la base technique pour concevoir un prototype pilote », a déclaré Veser. En cas de succès, cela permettra à l’équipe de transformer l’éthane de l’ouest de la Pennsylvanie en deux produits essentiels à la transition vers une énergie plus propre, ici même à Pittsburgh.

Source : Pitt