Gaz d'échappement purifiés grâce à une structure en éponge

Les moteurs à gaz naturel sont censés ouvrir la voie à une meilleure protection du climat. Grâce à eux, il est possible de produire de l'électricité à partir de gaz. Et, en attendant que les voitures électriques et l'infrastructure qui va avec soient suffisamment au point, ils font figure de technologie de transition, en remplaçant les moteurs automobiles à base de produits pétroliers dont les émissions de dioxyde de carbone sont supérieures d'un tiers environ. Les moteurs à gaz les plus respectueux du climat sont ceux qui fonctionnent au biogaz. En Suisse, ce dernier est exclusivement produit à partir de déchets organiques, une ressource qui est renouvelable et donc largement neutre du point de vue de ses effets sur le climat.

Dans la pratique, un problème demeure: les gaz d'échappement. La meilleure option pour la combustion du gaz naturel est le moteur à mélange pauvre. Avec ce type de moteur, beaucoup d'air est ajouté au gaz dans la chambre de combustion, ce qui diminue la quantité de carburant nécessaire pour son fonctionnement. Les moteurs à mélange pauvre sont donc particulièrement efficaces. Ils sont notamment utilisés dans les centrales au gaz, sur les bateaux et certains gros poids lourds. Mais pas encore dans les voitures. Ils ont en effet le désavantage de ne pas brûler le carburant de façon aussi complète que les moteurs à gaz naturel avec un mélange contenant moins d'air. Lors de la combustion de gaz naturel et de biogaz, d'assez grandes quantités de leur composant principal, le méthane, subsistent. Du formaldéhyde toxique se forme également, souligne Oliver Kröcher, chef du Laboratoire de bioénergie et de catalyse de l'Institut Paul Scherrer PSI.

Le catalyseur du PSI traite mieux les gaz d'échappement

Le méthane est un gaz à effet de serre très puissant, 25 fois plus puissant que le dioxyde de carbone en termes d'impact sur le climat. On devrait donc éviter ses émissions et également celles des autres substances nocives. Pour ce faire, on installe des catalyseurs qui, grâce à des réactions chimiques, transforment les polluants en substances inoffensives pour l'environnement. La plupart de ces catalyseurs font appel au palladium, un métal noble. Réparti finement à l'échelle de l'atome sur la longue et rugueuse surface d'un matériau de support, le palladium peut entrer efficacement en réaction avec les gaz d'échappement et détruire les substances nocives. Le matériau utilisé pour le support est en général de l'oxyde d'aluminium.

Avec les moteurs à mélange pauvre, cette technique ne fonctionne toutefois pas encore de façon optimale. Dans les moteurs à mélange pauvre, les catalyseurs conventionnels sont encore trop peu actifs à des températures au-dessous de 400 degrés, note Oliver Kröcher. Des températures plus basses ont pourtant un avantage. Cela signifie qu'une plus grande quantité d'énergie est consacrée au travail effectif du moteur; le degré d'efficacité est donc plus élevé. A cela s'ajoute le fait que les catalyseurs utilisés jusqu'ici deviennent rapidement moins performants: sur l'oxyde d'aluminium, le palladium est assez vite sujet au frittage sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement. Cela veut dire que les minuscules particules de palladium fusionnent entre elles pour en former des plus grandes, comme des flocons de chocolats au soleil. Elles occupent ainsi moins de surface et le catalyseur devient rapidement moins actif, déjà après quelques heures, précise Oliver Kröcher.

Ce sont justement ces désavantages que son groupe de recherche a pu éliminer. Il a développé un catalyseur pour les moteurs à mélange pauvre qui fonctionne de manière stable et qui traite les gaz d'échappement de façon efficace même à des températures basses.

La structure du matériau rappelle une éponge

Les chercheurs ont testé la zéolithe comme nouveau matériau pour le support. Il s'agit d'une substance très poreuse à base de dioxyde de silicium. Au microscope, elle ressemble à une éponge, parsemée de minuscules trous reliés entre eux pas des canaux. Une telle structure offre une énorme surface. Lorsque le palladium y est réparti finement, il peut encore mieux réagir avec les gaz d'échappement. Le catalyseur est plus efficace, également à des températures basses.

D'autres chercheurs ont aussi pensé à la zéolithe, relève Andrey Petrov, doctorant au PSI et premier auteur de l'étude. Mais ils ont constaté que le palladium était malgré tout sujet au frittage et qu'il perdait de son efficacité avec le temps, en se déplaçant à travers les canaux à la surface de la zéolithe où il fondait et s'agrégeait. Andrey Petrov a néanmoins eu une idée décisive pour empêcher ce processus. Il a traité la zéolithe au moyen d'acides et de bases, ce qui à permis d'agrandir quelque peu les pores et a ajouté du sodium au palladium. Le palladium peut s'accumuler dans ces pores plus grands et les remplir. Nous avons constaté qu'avec ses particules de l'ordre du nanomètre, il affichait alors sa plus forte activité. Le sodium empêche dans le même temps les particules de se déplacer. Le catalyseur ne subit ainsi presque plus de frittage. Dans notre laboratoire, cette activité augmentée s'est maintenue pendant plus de 90 heures, confirme Oliver Kröcher. Et nous avons atteint les mêmes résultats en matière d'épuration des gaz d'échappement à des températures inférieures de 50 degrés au moins à celles des catalyseurs conventionnels.

Une technologie d'avenir

Les émissions de polluants des moteurs à mélange pauvre peuvent être nettement réduites grâce au nouveau catalyseur. Suite à d'autres développements, cette réduction pourrait être telle que l'on pourrait envisager d'installer ce type de moteur dans des voitures normales. Les moteurs des voitures roulant au gaz naturel fonctionnent aujourd'hui selon un autre principe, justement parce que le traitement des gaz d'échappement des moteurs à mélange pauvre n'est pas encore assez efficace, argumente le professeur Kröcher. Mais cela pourrait changer maintenant.

Cela pourrait bientôt changer car, en effet, les milieux politiques discutent de valeurs limites plus strictes pour les polluants contenus dans les gaz d'échappement. La nouvelle méthode développée au PSI pourrait ainsi aider à respecter ces nouvelles normes. Une demande de brevet a déjà été déposée. Des entreprises industrielles ont aussi déjà manifesté leur intérêt.

Texte: Jan Berndorff

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 390 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

(Mise à jour: mai 2018)