Des filtres à particules de suie aux carburants renouvelables
L'élucidation des processus chimiques dans les filtres à particules de suie révèle de nouveaux moyens de produire des carburants synthétiques
Les particules de carbone sont présentes dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne. La suie, qui se compose de minuscules particules de carbone, est générée lorsque des sources d'énergie telles que le pétrole ou le bois ne sont pas entièrement brûlées. Les filtres à particules de suie, quant à eux, éliminent les particules de taille nanométrique à micrométrique des gaz d'échappement des voitures à l'aide de réactions chimiques de surface. Les particules de carbone pourraient également être utilisées dans l'industrie, car à des températures supérieures à 1000 degrés Celsius, le carbone peut être converti avec le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en précurseurs de carburants synthétiques. Dans les deux cas, les réactions chimiques qui se produisent à la surface du carbone sont essentielles, mais les conditions dans lesquelles des voies de réaction spécifiques dominent ne sont pas entièrement comprises.
Les particules de carbone sont dégradées par le dioxyde d'azote et l'oxygène
Les scientifiques de l'Institut Max Planck de chimie (MPIC) peuvent désormais mieux expliquer ce qui se passe lors de l'oxydation des nanoparticules de carbone dans le filtre à particules. Ils ont examiné ce qu'il advient des minuscules particules de suie dans des conditions typiques des gaz d'échappement des moteurs diesel. À des températures comprises entre 270 et 450 °C environ, le carbone interagit avec les gaz réactifs que sont le dioxyde d'azote (NO2) et l'oxygène (O2). Ces gaz oxydent le carbone et le décomposent. Résultat : plus la température est élevée, plus la masse de carbone disparaît rapidement. Les chercheurs ont ensuite introduit les données expérimentales dans un modèle cinétique multicouche appelé KM-GAP-CARBON.
La modélisation révèle ce qui se passe chimiquement : à basse température, la décomposition du carbone est dominée par le dioxyde d'azote, tandis qu'à haute température, elle est dominée par l'oxygène. Ce changement dans les voies de réaction dominantes est marqué par un déplacement progressif de l'énergie d'activation nécessaire pour qu'une réaction chimique ait lieu.
Un modèle chimique issu de la recherche sur les aérosols atmosphériques
"Notre modèle a été conçu à l'origine pour décrire la chimie des particules de poussière fine dans l'atmosphère, mais nous avons constaté qu'il fonctionne également très bien pour les applications techniques à haute température", explique Thomas Berkemeier, auteur principal de l'étude et chef du groupe de recherche au CIPM. "Notre modèle nous aide à comprendre pourquoi la voie de réaction chimique est influencée par la température. Il explique également une deuxième particularité : dans les mesures, nous observons que la vitesse de réaction est la plus élevée au début et à la fin de la réaction".
Selon l'étude récemment publiée dans la revue Angewandte Chemie, les atomes de carbone les plus réactifs à la surface des particules de carbone sont oxydés et gazéifiés en premier, ce qui entraîne une accumulation d'atomes moins réactifs à la surface. Cela conduit initialement à une forme de passivation des particules, et le processus d'oxydation ralentit. "Vers la fin de la réaction, le rapport entre la surface des particules et leur volume est particulièrement élevé, ce qui explique que la vitesse de réaction normalisée en volume augmente à nouveau fortement", explique Berkemeier, qui entend examiner à l'avenir la structure précise des particules à l'aide de techniques microscopiques et spectroscopiques. En outre, le chimiste et son équipe prévoient d'autres études sur la cinétique de la réaction afin d'explorer les effets de divers oxydants et conditions.
La recherche fondamentale contribue au développement des carburants renouvelables
Ulrich Pöschl, co-auteur et directeur de l'Institut Max Planck de chimie, a déclaré : "Notre recherche ne permet pas seulement de mieux comprendre les processus fondamentaux sur les nanosurfaces de carbone. Elle ouvre également de nouvelles voies pour les innovations technologiques dans les secteurs de l'environnement et de l'énergie, par exemple en faisant progresser les technologies de capture du carbone et en optimisant les conditions de production dans le cadre du développement de carburants synthétiques. Les résultats de décennies de recherche scientifique fondamentale contribuent donc également à un développement durable de la technologie et de la société dans l'Anthropocène".
Le terme Anthropocène fait référence à l'époque géologique actuelle, qui se caractérise par l'augmentation rapide et l'omniprésence de l'influence humaine sur la planète Terre. Il fait partie des activités scientifiques et des recherches de l'Institut Max Planck de chimie depuis sa découverte par le lauréat du prix Nobel Paul Crutzen.
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