Comportement modèle: comment les catalyseurs de précision peuvent aider à lutter contre le changement climatique
Le passage aux énergies renouvelables est indispensable si l’UE entend atteindre ses objectifs climatiques à long terme. Pourtant, les hydrocarbures liquides, généralement issus de combustibles fossiles, restent essentiels pour le transport maritime et aérien et constituent une importante matière première pour les engrais, les produits pharmaceutiques et les plastiques. L’une des solutions consiste à utiliser de l’électricité provenant de sources renouvelables pour produire de l’hydrogène vert, puis à combiner ce dernier au dioxyde de carbone pour obtenir des hydrocarbures liquides plus écologiques. Une autre solution implique d’utiliser directement l’électricité pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en hydrocarbures. La possibilité de le faire à l’échelle industrielle facilitera également le transport et le stockage de l’électricité renouvelable. Le projet 3D Model Catalysts (3MC), financé par l’UE, a étudié un système pour créer de nouveaux catalyseurs susceptibles de permettre ces processus. «Nous aurons besoin de combustibles liquides et de composants chimiques d’une manière ou d’une autre, même si nous ne voulons plus les tirer de ressources fossiles», explique Petra de Jongh, coordinatrice du projet 3MC et professeure de catalyseurs et matériaux énergétiques à l’Institut Debye, de l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas. «Pour passer à ces nouvelles techniques, nous devons concevoir des catalyseurs innovants et efficaces qui réduisent la quantité de matériaux, le coût et l’électricité nécessaire», ajoute Petra de Jongh. «Cela rend possible l’ensemble du processus.»
Catalyseurs modèles
De nombreux catalyseurs sont constitués d’une fine poudre métallique, qui est ensuite liée à un substrat d’oxyde pour les rendre faciles à manipuler, comme les convertisseurs catalytiques à base de platine que l’on trouve dans les pots d’échappement des voitures. Mais les particules qui constituent ces poudres se trouvent dans un état désordonné, c’est pourquoi il est difficile de comprendre comment concevoir un catalyseur optimal. Pour résoudre ce problème, Petra de Jongh et son équipe ont entrepris de créer des catalyseurs «modèles» à partir de nanoparticules de cuivre et d’autres métaux intégrés dans de la silice mésoporeuse dont la structure, la composition et la géométrie sont étroitement contrôlées. «Ces catalyseurs avaient une structure très uniforme et bien définie en 3D», ajoute Petra de Jongh. «La phase active de ces catalyseurs est constituée de petites nanoparticules, de sorte qu’outre leur composition, la taille de leurs particules affecte grandement leurs performances. Deux, trois ou quatre nanomètres font toute la différence.» Petra de Jongh et son équipe ont conçu des séries de catalyseurs pour la conversion thermique et électrochimique du CO2, en s’appuyant sur des paramètres qu’ils pensaient pouvoir améliorer. Ces catalyseurs ont été assemblés par synthèse, puis caractérisés, avec une précision atomique, afin d’obtenir une idée précise de leur structure.
Essai industriel
Dernière étape, les nouveaux catalyseurs ont été testés dans le laboratoire de Petra de Jongh, qui dispose de plusieurs bancs d’essai permettant de simuler les conditions industrielles. Cela a permis de s’assurer qu’ils pouvaient fonctionner dans des scénarios du monde réel. «Les catalyseurs doivent être testés à des températures et des pressions élevées, et avec de forts flux hydrodynamiques, pendant des semaines», explique Petra de Jongh. Les travaux de l’équipe ont montré que la méthodologie était un moyen extrêmement robuste de comprendre les fondamentaux et de produire des règles de conception de base pour des catalyseurs innovants. Les catalyseurs conçus dans le cadre du projet 3MC font désormais l’objet d’une étude pour des applications industrielles. «Nous avons fabriqué certains catalyseurs, avec de nouvelles distributions géométriques et atomiques, qui fonctionnent mieux que les catalyseurs conventionnels», note Petra de Jongh. «Par exemple, le contrôle de la distribution atomique de deux éléments dans une nanoparticule peut rendre un catalyseur 50 fois plus actif avec la même composition.» Ces travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche. «Cela a rendu tout possible», explique Petra de Jongh. Ce soutien «nous a permis de constituer le groupe, l’équipe, et d’étudier cette approche. C’est formidable de voir que des groupes du monde entier suivent désormais notre exemple.»
Mots‑clés
3MC, catalyseurs, chimique, climat, énergie, modèle, électrochimique, CO2 conversion, géométrique, atomique
