Des ingénieurs chimistes de l’EPFL ont développé une nouvelle méthode de production de catalyseur, motivés par la perspective de transformer des gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, en produit chimique à haute valeur ajoutée, comme le méthanol. Les catalyses représentent un outil crucial pour l’industrie chimique. On les emploie fréquemment pour la fabrication de produits pétrochimiques. Avec leur procédé, les scientifiques ont mis au point une manière de construire – à un degré de précision proche de l’atome – des clusters métalliques sur des supports solides, lesquels peuvent améliorer l’activité catalytique. Leurs résultats sont publiés dans Nature Catalysis.
« Il s’agit de fabriquer autant de produit que possible par heure et par quantité de catalyseur. Nous avons découvert que, lorsqu’un catalyseur est préparé à un degré de précision quasi atomique, on obtient un matériau plus actif », explique Jeremy Luterbacher, professeur au Laboratoire de procédés durables et catalytiques de l’EPFL. « Cette technique est particulièrement intéressante avec des réactions complexes, comme celle du dioxyde de carbone avec l’hydrogène gazeux pour obtenir du méthanol renouvelable ».
Les catalyseurs du futur devront transformer le dioxyde de carbone – un gaz à effet de serre qui représente la plus importante source de carbone renouvelable sur Terre – en gaz à haute valeur ajoutée, comme le méthanol. Ce processus se déroule à travers une réaction chimique appelée hydrogénation. Une réaction complexe, parce qu’elle peut produire d’autres choses que du méthanol. Il est difficile d’élaborer une catalyse à même de transformer assez rapidement le CO2 en méthanol sans autre sous-produit. Pour créer un catalyseur solide, on dépose une particule métallique sur un autre matériau qui présente une grande surface de contact, comme une poudre poreuse, afin de maximiser le contact avec le réactant.
Jeremy Luterbacher et son équipe se sont demandé s’ils pouvaient maîtriser et accélérer les réactions en contrôlant précisément la composition du catalyseur. Par exemple, en sélectionnant exactement la bonne quantité de matériaux pour contrôler avec quelle force les réactants se lieraient au catalyseur. Dans une précédente recherche, ils avaient déjà découvert qu’il était possible de déposer sur des supports métalliques de petits amas de métal, à un degré de précision approchant l’atome. Cette méthode, baptisée liquid-phase atomic layer deposition (ALD), est idéale pour créer des sites précis de catalyse active, en vue de permettre une réaction.
De fait, en déposant ces petits amas de plusieurs métaux à une échelle quasi atomique, l’équipe de l’EPFL a pu hydrogéner du dioxyde de carbone à une vitesse plus de 10 fois supérieure à celle d’un catalyseur de même composition, mais élaborée sans leur méthode. Ils ont employé de l’oxyde de magnésium comme support – lequel se lie généralement de manière trop forte au dioxyde de carbone pour être réactif – qu’ils ont déposé sur des îlots de zirconium – un matériau qui se lie généralement de manière trop faible au dioxyde de carbone. Ensuite, ils ont ajouté du cuivre pour activer l’hydrogène. En combinant ces éléments dans de justes proportions, les scientifiques semblent avoir trouvé la formule idéale pour générer rapidement de grandes quantités de méthanol, et très peu d’autres sous-produits.
« L’oxyde de magnésium est largement reconnu comme un matériau stable pour capturer le CO2, mais sa forte affinité a limité son usage en tant que support de catalyse. Nous avons transformé cette limite en opportunité en l’associant au zirconium » explique Seongmin Jin, ancien postdoc au laboratoire et premier auteur de l’étude.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
