Rendre une précieuse matière première exploitable grâce à l’eau

Les chercheurs ont été les premiers à montrer qu’il est possible de fabriquer du méthanol en combinant du méthane et de l’eau. Il s’agit, pour commencer, d’une découverte scientifique importante, souligne Marco Ranocchiari, chef du groupe de recherche au Laboratoire de catalyse et de chimie durable au PSI. Jusqu’ici, la possibilité d’utiliser de l’eau pour oxyder le méthane et le transformer méthanol n’était pas clairement établie. En même temps, ajoute le chercheur, ce procédé présente des avantages essentiels pour une application industrielle. Actuellement, la conversion de méthane en méthanol se fait en deux étapes, à très haute pression et température, dans des installations chimiques industrielles qui sont beaucoup trop volumineuses et trop coûteuses pour pouvoir être installées sur les nombreux champs pétrolifères.

Conversion directe sans produits résiduels indésirables

Dans le cas de la réaction développée par les chercheurs du PSI et de l’ETH Zurich, la conversion est un processus direct et s'acomplit sous basse pression, si bien qu’elle peut être réalisée dans des installations industrielles plus simplement. Cette réaction n’est pas la première à permettre de convertir en une seule étape le méthane en méthanol: à maintes reprises, les chercheurs du PSI et de l’ETH Zurich ont aussi participé au développement d’autres réactions. Mais cette nouvelle réaction est nettement plus sélective que les autres, explique Dennis Palagin, chercheur au PSI et coauteur de l’étude. Cela signifie qu’à part le méthanol, on obtient uniquement de l’hydrogène, qui peut être utilisé pour d’autres applications comme par exemple dans les piles à combustibles. Les conditions de réaction mises au point jusqu’ici, employant l’oxygène ou bien le peroxyde d’hydrogène comme source pour l’oxydation, entrainaient la formation des produits résiduels indésirables et nocives tel que le monoxyde de carbone, le CO₂ ou le formaldéhyde.

Comprendre la réaction à travers les expériences et la théorie

Outre le méthane et l’eau, un autre matériau actif est impliqué dans cette nouvelle réaction. A la surface de ce matériau, les molécules de méthane sont scindées en un groupe carboné et en hydrogène, qui peuvent ensuite se recombiner avec l’eau pour former du méthanol et du dihydrogène. Le matériau actif a la structure d’une zéolithe avec des atomes de cuivre intégrés qui jouent un rôle décisif lors de la réaction. En combinant différentes méthodes d’analyse, nous avons réussi à élucider les mécanismes à l’œuvre derrière la réaction, explique Vitaly Sushkevich, premier auteur de l’étude et concepteur des expériences. Nous avons ainsi étudié le mécanisme réactionnel par spectroscopie infrarouge et les modifications des sites de cuivre grâce aux rayons X de la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Pour démontrer que le méthane avait bel et bien été oxydé par l’oxygène de l’eau, nous avons remplacé de façon ciblée une partie de l’oxygène par un autre isotope, ce qui nous a permis de suivre son parcours. Les expériences ont été complétées par des calculs théoriques réalisés au Swiss National Supercomputing Centre à Manno, au Tessin.

Le projet de recherche a bénéficié des fonds de la plateforme ESI (Energy System Integration) de l’Institut Paul Scherrer.

Texte: Institut Paul Scherrer /Paul Piwnicki

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 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 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 2016)