La conversion du méthane, composant principal du gaz naturel, en produits de valeur industrielle soulève des questions quant à l’efficacité énergétique et à l’impact environnemental. Une nouvelle approche promet d’utiliser la lumière solaire pour transformer ce gaz abondant en formaldéhyde, un précurseur chimique précieux, tout en réduisant la consommation d’énergie. Voici comment cette innovation pourrait redéfinir les pratiques dans l’industrie chimique.
Le méthane, bien que largement disponible, présente des défis en tant que matière première chimique.
«Il est difficile à liquéfier, son coût de transport est élevé et il ne peut pas être utilisé directement comme matière première chimique,» indique Chengyang Feng, chercheur au sein du groupe de catalyse avancée pour l’énergie durable de Huabin Zhang. Des quantités importantes de méthane sont brûlées ou relâchées directement dans les champs de gaz et de pétrole, ce qui conduit à un gaspillage des ressources et pose des problèmes environnementaux, ajoute encore Huabin Zhang.
Lorsque le méthane est utilisé pour la production chimique, il est généralement converti en un intermédiaire plus réactif connu sous le nom de syngas. Cette conversion, cependant, nécessite des températures et des pressions élevées, ce qui en fait un processus très énergivore.
Une innovation catalytique
Une méthode alternative et douce pour convertir le méthane réagit avec l’oxygène de l’air, alimentée par la lumière solaire, pour produire du formaldéhyde. «La conversion du méthane en formaldéhyde le transforme en un liquide précieux déjà largement utilisé dans les industries chimiques et pharmaceutiques,» a affirmé Feng. Cette transformation réduit les difficultés de stockage et de transport, tout en améliorant les retours économiques.
La réaction photocatalytique du méthane avec l’oxygène présente des défis car elle génère souvent un mélange de produits, y compris du méthanol et du dioxyde de carbone. Le résultat de la réaction dépend fortement de l’étape d’activation de l’oxygène. Le formaldéhyde se forme lorsque l’activation de l’oxygène produit des espèces réactives connues sous le nom de radicaux hydroperoxyle.
Le développement d’un photocatalyseur
Pour favoriser la génération de radicaux hydroperoxyle et la production de formaldéhyde, l’équipe a conçu un photocatalyseur à base de metal-organic framework (MOF). À l’échelle nanométrique, ces matériaux cristallins poreux sont constitués de sites métalliques reliés par des connecteurs organiques à base de carbone, formant un motif répétitif très régulier. En modifiant les métaux et les connecteurs utilisés, différentes architectures moléculaires peuvent être obtenues.
Les chercheurs ont créé des MOF dans lesquels les sites métalliques étaient entièrement liés aux connecteurs, formant une structure chimique inerte. «Lorsque des atomes de cuivre uniques sont ensuite ancrés spécifiquement dans cette structure, ces sites deviennent les seuls centres actifs du catalyseur, permettant une modulation précise du chemin de réaction,» a expliqué Huabin Zhang.
L’équipe a ajusté l’environnement autour de chaque atome de cuivre pour que les molécules d’oxygène ne puissent s’adsorber qu’à l’extrémité active du métal. «En modifiant le mode initial d’adsorption de l’oxygène, nous avons atteint la formation sélective de radicaux hydroperoxyle et la production de formaldéhyde,» a souligné Feng. Le photocatalyseur a converti le méthane en formaldéhyde avec un rendement élevé et une sélectivité proche de 100%.
Le prochain objectif de l’équipe est d’utiliser plus efficacement l’énergie solaire. «Nos photocatalyseurs ne répondent qu’aux rayons ultraviolets et à une partie du spectre visible, ce qui entraîne une perte substantielle d’énergie solaire,» a indiqué Huabin Zhang.
Ils visent à développer des catalyseurs qui capturent le reste de l’énergie solaire sous forme de chaleur pour aider à entraîner la réaction. «Notre prochaine grande entreprise sera de tester notre catalyseur optimisé à grande échelle, à l’extérieur, avec la lumière du soleil,» a conclu le chercheur.
Légende illustration : Grâce à la lumière du soleil, le photocatalyseur transforme le méthane en formaldéhyde, ouvrant ainsi la voie à une production chimique économe en énergie. 2025 KAUST.
Feng, C., Zuo, S., Hu, M., Ren, Y., Xia, L., Luo, J., Zou, C., Wang, S., Zhu, Y., Rueping, M., Han, Y., Zhang, H. « Optimizing the reaction pathway of methane photo-oxidation over single copper sites. » Nature Communications 15, 9088 (2024). Article
