Du gaz à effet de serre à la matière première
La DFG se concentre sur la chimie verte dans des conditions fluctuantes
Ne serait-ce pas une solution élégante que d'utiliser la substance qui nuit le plus au climat et menace le plus l'avenir comme matière première pour la fabrication de biens économiques et d'objets de la vie quotidienne ? En fait, le dioxyde de carbone (CO2), sous-produit inévitable de la civilisation, est déjà utilisé en laboratoire pour produire des oléfines inférieures, des alcools et des carburants en combinaison avec de l'hydrogène et d'autres réactifs chimiques, qui peuvent tous être obtenus de manière durable. Pour que ces procédés deviennent une pratique industrielle, ils doivent pouvoir fonctionner dans des conditions "fluctuantes". Un programme prioritaire de la DFG étudie les fondements de ces procédés, et LIKAT y participe.
Le terme "fluctuant" signifie que ces processus doivent également fonctionner avec des approvisionnements fluctuants en énergie et en matériaux de départ. C'est une nouveauté pour la chimie, mais on ne peut l'éviter si l'énergie, par exemple pour la production d'hydrogène par électrolyse, doit provenir à l'avenir de sources renouvelables telles que le soleil et le vent. Ces sources ne sont pas disponibles en permanence et ne le sont pas du tout les nuits sans vent.
Angelika Brückner et Evgenii Kondratenko, de l'Institut Leibniz de Rostock pour la catalyse, expliquent que l'influence des conditions dynamiques sur les réactions chimiques n'a guère été étudiée jusqu'à présent. Leur groupe de recherche participe au programme DFG en travaillant sur le développement de catalyseurs pour l'hydrogénation du CO2 en hydrocarbures supérieurs dans des conditions fluctuantes.
Du gaz climatique à la matière première
Dans l'ensemble, l'objectif est de remplacer le pétrole en tant que matière première tout en transformant un gaz résiduel problématique, le dioxyde de carbone, en matière première. Mais le CO2 est un gaz inerte qui réagit difficilement de lui-même. Pour obtenir des composés commercialement utiles, en particulier des matériaux de base pour la synthèse chimique de produits précieux, les liaisons carbone-oxygène extrêmement stables du CO2 doivent être activées. Cela se fait de manière catalytique par hydrogénation, c'est-à-dire en ajoutant de l'hydrogène, ce qui peut produire une variété de composés hydrocarbonés différents. Plus la molécule contient d'atomes de carbone, plus sa valence est élevée.
Pour ce processus, les chimistes impliqués dans le programme DFG ont modifié la synthèse dite de Fischer-Tropsch, développée il y a près de cent ans pour l'hydrogénation du monoxyde de carbone (CO). Pour ce faire, ils ont remplacé le CO, hautement toxique, par du CO2.
Modifications du catalyseur à base de fer
La structure et les propriétés du catalyseur jouent un rôle clé dans la détermination des produits formés lors de l'hydrogénation du CO2. Dans le cas d'Angelika Brückner et d'Evgenii Kondratenko, il s'agit d'un catalyseur à base de fer. Mais le fer n'est pas toujours le même, expliquent-ils. Ils ont découvert que le catalyseur se modifie au cours de la réaction dans des conditions fluctuantes : Il ne cesse de former de nouvelles "phases et espèces" dans l'intervalle, expliquent-ils.
Pour distinguer précisément les phases favorables et les phases obstructives, les chercheurs observent le catalyseur à l'œuvre, pour ainsi dire. Pour ce faire, ils utilisent des méthodes d'analyse operando-spectroscopiques hautement spécifiques basées sur la lumière infrarouge, UV et laser. Les échantillons de catalyseurs sont en partie développés par les chercheurs eux-mêmes et en partie obtenus auprès de leur partenaire de recherche à l'université Humboldt de Berlin.
Sur le plan catalytique, le fer est souvent utilisé sous forme d'oxydes, explique le professeur Kondratenko. "Mais nous préférons obtenir du méthane avec lui". De formule moléculaire CH4, le méthane est le principal composant du gaz naturel et l'hydrocarbure le plus simple. "Cependant, nous recherchons des hydrocarbures de plus grande valeur, actuellement, par exemple, des oléfines. Il s'agit de produits chimiques de base indispensables qui peuvent être raffinés chimiquement.
Phase catalytique active : Carbure de fer
Les scientifiques de Rostock ont découvert qu'une phase en particulier est cruciale pour l'hydrogénation du CO2 : la formation de carbure de fer à la surface du catalyseur. Ils ont également appris à stabiliser cette phase de carbure et à éviter les phases interférentes. Par exemple, en utilisant l'oxalate de fer, un sel de fer de l'acide oxalique (FeC2O4), au lieu de l'oxyde de fer habituel comme matériau catalytique. L'équipe a récemment publié deux articles sur ce sujet dans les revues CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY et JOURNAL OF CATALYSIS.
Une troisième publication du groupe, dans ACS CATALYSIS, traite du problème de la diminution de l'activité du catalyseur à base de fer. Comme cause, les chimistes de Rostock ont découvert des intermédiaires qui se transforment en coke dans certaines circonstances. Ce dernier se dépose sous forme de couche dure à la surface du catalyseur et masque les espèces actives.
Vision : Économie circulaire du CO2
Le programme prioritaire 2080 de la DFG intitulé "Catalyseurs et réacteurs dans des conditions de fonctionnement dynamiques pour le stockage et la conversion de l'énergie", dans le cadre duquel des méthodes de caractérisation operando sont développées et appliquées, des calculs théoriques et une modélisation cinétique sont effectués, en est maintenant à sa deuxième phase de financement et sera financé à hauteur de 428 700 euros jusqu'en 2025 pour les travaux menés à LIKAT uniquement. Le coordinateur du projet est le professeur Jan-Dierk Grunwaldt de l'Institut de technologie de Karlsruhe.
Selon les professeurs Brückner et Kondratenko, l'objectif serait de convertir le dioxyde de carbone là où il s'accumule en masse et de l'utiliser comme matière première pour les futures usines. Conformément aux principes de la chimie verte et de l'économie circulaire, un tel processus serait particulièrement adapté à l'environnement des plus grands émetteurs de CO2 actuels, tels que l'industrie du ciment, la production de fer et d'acier et l'industrie chimique elle-même, où le CO2 peut être transformé avec de l'hydrogène "vert" en hydrocarbures de valeur.
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.
Publication originale
Qingxin Yang, Henrik Lund, Stephan Bartling, Frank Krumeich, Andrey S. Skrypnik, Evgenii V. Kondratenko; "The role of Na for efficient CO2 hydrogenation to higher hydrocarbons over Fe-based catalysts under externally forced dynamic conditions"; Journal of Catalysis, Volume 426
Andrey S. Skrypnik, Henrik Lund, Qingxin Yang, Evgenii V. Kondratenko; "Spatial analysis of CO2 hydrogenation to higher hydrocarbons over alkali-metal promoted iron(
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