Laissez le soleil opérer sa magie : Un catalyseur révolutionnaire alimenté par la lumière du soleil transforme le méthane en produits chimiques précieux
Ce résultat favorise des processus plus durables et plus efficaces dans l'industrie chimique.
Dans le cadre d'un effort concerté avec des collaborateurs de l'University College London, le professeur Zhengxiao GUO du département de chimie de l'université de Hong Kong (HKU) et le professeur Junwang TANG, actuellement au département de génie chimique de l'université de Tsinghua, ont développé conjointement un matériau catalytique hautement actif et sélectif qui peut convertir efficacement le méthane, un puissant gaz à effet de serre, en formaldéhyde, un produit chimique essentiel, sans produire de déchets.
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Ce matériau innovant, dérivé du trioxyde de tungstène (catalyseur WO3 ), présente un double site actif comprenant des espèces atomiques de cuivre et de tungstène qui travaillent en tandem pour assurer un processus de conversion efficace et sélectif. Le processus de conversion peut atteindre une sélectivité de près de 100 % sous lumière visible, ce qui permet d'éviter les sous-produits indésirables et d'accroître l'efficacité, et constitue donc une alternative écologique aux méthodes de production actuelles. Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Nature Communications.
Changer l'inchangé : la conversion du méthane
Le méthane, principal composant du gaz naturel, est une source de carbone largement utilisée pour de nombreux produits chimiques. Néanmoins, il s'agit également d'un puissant gaz à effet de serre, dont le potentiel de réchauffement planétaire est plus de 70 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. La conversion catalytique du méthane (conversion du méthane en d'autres produits chimiques) offre donc une formidable opportunité de parvenir à un approvisionnement en énergie et en produits chimiques net zéro, tout en répondant aux préoccupations environnementales. Cependant, le méthane est une molécule extrêmement stable qui résiste à l'activation, en particulier dans des conditions douces ou ambiantes. L'activation sélective de la liaison intermoléculaire carbone-hydrogène est souvent considérée par de nombreux chimistes comme l'un des "Graals" les plus insaisissables de la catalyse.
Le formaldéhyde, quant à lui, est un produit chimique de base à fort volume dont la valeur de marché s'élève à 8 milliards d'USD, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,7 %. Il est utilisé dans les produits ménagers, commerciaux, aéronautiques, médicaux et automobiles et sert de précurseur précieux pour la mélamine, l'urée-formaldéhyde et les résines phénoliques, entre autres. Le formaldéhyde est également utilisé en toute sécurité dans la fabrication de vaccins, de médicaments anti-infectieux et de gélules. Actuellement, il est produit par oxydation-déshydrogénation du méthanol à l'aide de catalyseurs à base d'argent ou d'oxydes métalliques, à des températures de réacteur élevées de plus de 500-600 °C, ce qui entraîne des émissions de dioxyde de carbone et des pertes d'énergie considérables.
Exploiter la lumière du soleil pour convertir le méthane
Dans son étude, l'équipe découvre une nouvelle façon de transformer le méthane en formaldéhyde en utilisant la lumière du soleil. Ils ont constaté qu'un mélange de cuivre dispersé atomiquement et d'espèces de tungstène partiellement réduites sur de l'oxyde de tungstène fonctionnait très bien - l'ensemble synergique permettant une conversion photocatalytique exceptionnelle du méthane en formaldéhyde sous la lumière visible ambiante. Le processus a présenté une sélectivité de près de 100 % et un rendement de conversion élevé, surpassant de manière significative les photocatalyseurs précédemment rapportés (avec une fréquence de renouvellement, TOF = 8,5×106 μmol (HCHO)-g-1(cocatalyseur)-h-1).
Grâce à une analyse mécaniste, ils ont découvert que le cuivre aidait à déplacer les électrons et à créer des espèces moléculaires réactives, tandis que le tungstène aidait à activer le méthane. Plus précisément, le cuivre a joué le rôle d'accepteur d'électrons et a favorisé le transfert d'électrons photo-induit de la bande de conduction vers le dioxygène, générant des radicaux hydroperoxyles réactifs (HOO-). Dans le même temps, l'atome de tungstène adjacent, qui avait une charge positive partielle, a fonctionné comme accepteur de trous. Le site d'adsorption et d'activation préféré de l'eau a produit des radicaux hydroxyles et a activé efficacement le méthane en radicaux méthyles. La synergie des sites actifs doubles adjacents améliore considérablement l'efficacité et la sélectivité globales du processus de conversion.
Cette découverte ouvre la voie à la poursuite de la recherche et du développement de nouveaux photocatalyseurs pour une variété de conversions chimiques, favorisant ainsi des processus plus durables et plus efficaces dans l'industrie chimique.
La conversion solaire du méthane est très souhaitable pour les synthèses chimiques à faible teneur en carbone et à haute valeur ajoutée. Cependant, la sélectivité des produits et l'efficacité de la production sont les clés du succès. Cela nécessite une compréhension approfondie du mécanisme de conversion, une conception minutieuse du catalyseur et des techniques complémentaires pour confirmer sa performance - un bon exemple de tâches multidisciplinaires qui nécessitent une forte collaboration. C'est exactement ce que l'équipe a réussi à faire - avec un résultat à forte valeur ajoutée", a fait remarquer le professeur Zhengxiao GUO, l'un des auteurs correspondants de l'article.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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