De nouveaux catalyseurs boostent la production de méthanol par hydrogénation du CO2

ParisDes chercheurs de Tokyo Tech ont découvert que l'insertion de nanoparticules de cuivre dans des cristaux de silicate poreux et hydrophobes améliore l'efficacité des catalyseurs en cuivre-oxyde de zinc pour la production de méthanol. Ce procédé empêche les particules de cuivre de s'agglomérer sous l'effet de la chaleur, ce qui optimise l'hydrogénation et accroît la production de méthanol. Cette approche rend la synthèse du méthanol à partir de CO2 plus efficace.

Les émissions de CO2 ont un impact majeur sur le réchauffement climatique, rendant leur réduction cruciale. Le méthanol est un carburant utile et abordable, offrant une alternative intéressante aux combustibles traditionnels pour les transports. La production de méthanol par conversion du CO2 avec de l'hydrogène se distingue parmi les techniques prometteuses de capture et de valorisation du CO2.

Des températures plus basses favorisent la production de méthanol, car la réaction dégage de la chaleur. Les catalyseurs à base de cuivre et d'oxyde de zinc (Cu-ZnO) sont particulièrement efficaces pour cela. Ils convertissent le CO2 en intermédiaires formiates, améliorant ainsi la production de méthanol. Une plus grande surface d’interaction entre le cuivre et l’oxyde de zinc accroît cette production, ce qui peut être réalisé en étalant davantage les particules de cuivre. Néanmoins, celles-ci ne sont pas stables à haute température et ont tendance à s’agglomérer pendant la préparation et la réaction, réduisant ainsi la surface disponible. De plus, l'eau produite comme sous-produit contribue également à cette agglomération, ralentissant la formation des intermédiaires formiates.

Sous la direction du professeur Teruoki Tago, des chercheurs de l'Institut de Technologie de Tokyo ont mis au point de nouveaux catalyseurs Cu-ZnO encapsulés dans la Silicalite-1 (S-1). Leur étude met en lumière plusieurs découvertes importantes.

• Encapsuler les métaux dans des supports poreux réduit l'agrégation thermique.
• Les catalyseurs Cu-ZnO encapsulés dans S-1 montrent une production accrue de méthanol.
• Deux types de catalyseurs ont été fabriqués : Cu/S-1 et Cu@S-1.
• Cu@S-1 a été préparé à partir d'une poudre de phyllosilicate de cuivre (CuPS).

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Les chercheurs ont fabriqué deux types de catalyseurs. Le premier, nommé Cu/S-1, consistait à ajouter du cuivre à un matériau hydrophobe connu sous le nom de S-1. Le deuxième, appelé Cu@S-1, a été créé en utilisant une poudre à base de cuivre qui permettait d'incorporer des particules de cuivre dans la structure du S-1. Pour fabriquer Cu@S-1, ils ont dissous la poudre de cuivre, et le temps nécessaire pour la dissolution influençait la taille des particules de cuivre. Après avoir déterminé le temps optimal de dissolution, le catalyseur avait des particules de cuivre d'environ 2,4 nanomètres intégrées au S-1.

Le catalyseur Cu@S-1 a démontré une activité d'hydrogénation et une production de méthanol supérieures par rapport au Cu/S-1. Pour augmenter encore plus la production de méthanol, du ZnO a été ajouté au Cu@S-1 par imprégnation, créant ainsi le catalyseur ZnO/Cu@S-1 avec de fines particules de Cu. Ce nouveau catalyseur avait une activité encore plus élevée, indiquant la formation d'une interface Cu-ZnO.

La structure S-1 empêche les particules de Cu de s'agglomérer sous l'effet de la chaleur. De plus, elle élimine rapidement l'eau formée lors des réactions au niveau de l'interface Cu-ZnO, améliorant ainsi la production de méthanol.

L'étude a été mise en ligne le 21 février 2024 et publiée dans le Volume 485 du Chemical Engineering Journal le 1er avril 2024. Le projet a été financé par le programme Horizon2020 de l'UE et l'Agence japonaise de la science et de la technologie dans le cadre du projet SCICORP (projet Laurelin). Les chercheurs ont découvert que la nouvelle méthode de préparation des catalyseurs est très efficace et prometteuse pour produire du méthanol à partir du CO2 de manière efficiente.