Une révolution verte : le plasma transforme le CO2 en méthane à basse température

L’hydrogène atomique dérivé du plasma (PDAH) permet une réaction de méthanisation du dioxyde de carbone à basse température par le biais du canal de réaction de type Eley-Rideal, améliorant ainsi le rendement du méthane à basse température, comme l’ont montré des scientifiques de Science Tokyo. Ces résultats soulignent le potentiel du PDAH pour faire progresser les méthodes de recyclage durable du dioxyde de carbone et optimiser d’autres réactions d’hydrogénation catalytique, offrant ainsi une voie prometteuse pour améliorer l’efficacité de diverses technologies énergétiques et environnementales.

Malgré la diminution des réserves et les importantes émissions de dioxyde de carbone (CO2) qui contribuent au changement climatique, les combustibles fossiles restent la source d’énergie la plus utilisée dans le monde. Ce problème environnemental pressant a conduit les chercheurs à rechercher des méthodes pour réduire le CO2 atmosphérique. Une approche prometteuse est la méthanation du CO2, un processus qui convertit le CO2 en méthane, un carburant plus propre, en le faisant réagir avec de l’hydrogène vert en présence d’un catalyseur métallique.

Défis de la méthanisation à basse température

La méthanation du CO2 est thermodynamiquement plus efficace à basse température, permettant idéalement à la chaleur de la réaction de la soutenir. Toutefois, dans la pratique, cette réaction doit être réalisée à des températures élevées, ce qui nécessite une source de chaleur externe. En effet, l’hydrogène atomique, formé par l’adsorption et la dissociation des molécules d’hydrogène à la surface du catalyseur, s’immobilise et se stabilise sur le catalyseur, ce qui réduit sa réactivité et nécessite des températures élevées pour surmonter la barrière énergétique de l’étape de détermination de la vitesse. Cela pose des problèmes tels qu’une consommation d’énergie élevée, le dépôt de carbone sur le catalyseur et la formation de sous-produits indésirables tels que le monoxyde de carbone (CO). Il est essentiel d’exploiter pleinement la réactivité chimique de l’hydrogène atomique pour améliorer la méthanation du CO2.

Pour résoudre ces problèmes, une équipe de recherche japonaise, dirigée par le professeur Tomohiro Nozaki, du département de génie mécanique de l’Institut des sciences de Tokyo, a étudié un système innovant assisté par plasma qui permet la méthanation du CO2 à basse température à l’aide de PDAH.

Catalyse par plasma

La catalyse par plasma, qui associe un plasma non thermique (PNT) à des catalyseurs conventionnels à support métallique, a récemment fait l’objet d’une attention considérable en raison des interactions synergiques qu’elle crée entre le plasma et le catalyseur. Le PNT est constitué d’électrons à une température beaucoup plus élevée que celle du gaz en vrac. « Des études ont démontré la méthanation du CO2 à basse température à l’aide de la catalyse par plasma, mais il manque encore une compréhension de la dynamique et des mécanismes de la réaction. De plus, la nature et la réactivité du PDAH ont rarement été étudiées », explique Tomohiro Nozaki.

Pour comprendre la dynamique sous-jacente de la méthanation du CO2 assistée par plasma, l’équipe a mené une étude détaillée en utilisant l’analyse cinétique, le diagnostic par plasma laser, la caractérisation in situ de la surface du plasma et les calculs de chimie quantique. Ils ont réalisé la méthanation du CO2 avec Ni/Al2O3, en tant que catalyseur à base de métaux non précieux, dans un réacteur à décharge à barrière diélectrique (DBD) à lit garni. Dans cette configuration, un mélange de CO2 et d’hydrogène gazeux est partiellement ionisé, produisant du NTP et donc du PDAH hautement réactif.

Les chercheurs ont constaté que l’activité de la méthanation du CO2 dans des conditions de DBD était élevée, même à des températures inférieures à 300 °C. Fait remarquable, à environ 230 °C, les taux de conversion du CO2 dans des conditions de DBD étaient 11 fois plus élevés que ceux obtenus avec la catalyse thermique, tout en maintenant une sélectivité du méthane supérieure à 98 %. De plus, comme la DBD ne chauffe pas le gaz produit, elle évite la formation de sous-produits indésirables. Les calculs de chimie quantique ont en outre révélé que le PDAH abaisse la barrière énergétique des intermédiaires réactionnels en activant la voie de réaction de type Eley-Rideal, ce qui facilite la méthanation du CO2 à basse température.

Perspectives d’avenir

« Notre étude met en évidence le rôle important de la PDAH dans la méthanation catalytique du CO2. Nos résultats peuvent également être appliqués à d’autres processus d’hydrogénation catalytique, y compris la production de méthanol, d’hydrocarbures et d’ammoniac », remarque Tomohiro Nozaki, soulignant les applications potentielles.

En outre, le concept Power-to-X devrait prendre de l’ampleur avec les technologies du plasma basées sur les énergies renouvelables, qui contribuent également à une société à faible émission de carbone.

Dans l’ensemble, cette étude fournit de nouvelles informations sur la méthanation du CO2 assistée par plasma, ouvrant la voie à un recyclage du CO2 plus efficace sur le plan énergétique et plus durable.

Correction : La méthanisation est un processus biologique naturel de décomposition de matières organiques qui se produit en l’absence d’oxygène (anaérobie) tandis que la méthanation est un procédé purement industriel qui combine de l’hydrogène et du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone.

Légende illustration : L’hydrogène atomique dérivé du plasma permet une méthanation du CO2 de type Eley-Rideal à basse températur. Kim et al. (2024) | JACS Au

Article : ‘Plasma-derived atomic hydrogen enables Eley−Rideal-type CO2 methanation at low temperature’ / ( 10.1021/jacsau.4c00857 ) – Institute of Science Tokyo – Publication dans la revue JACS Au / 18-Nov-2024