Avec un métal unique, l’osmium, les chercheurs font un pas de plus vers la réduction du gaspillage de méthane.
Les chimistes de l’UNSW ont conçu un nouveau «vice» moléculaire, en incluant l’osmium, un métal rare, qui peut lier le méthane pendant des heures – fournissant des preuves cruciales pour une étape intermédiaire qui informera les nouveaux catalyseurs pour stocker, transporter ou transformer le gaz en méthanol et aider pour éviter le gaspillage du gaz dans le monde entier.
Schéma montrant les principales sources de méthane (produit pour le premier rapport mondial sur les émissions mondiales de méthane). Crédit image : Global carbon project via WikimédiaCC-BY-SA-4.0
Ce nouveau complexe « osmium-méthane » peut lier le méthane – mieux connu sous le nom de gaz naturel – pendant des heures, bien plus longtemps que la norme actuelle de microsecondes, permettant à son analyse de créer de nouveaux catalyseurs potentiels pour transformer le méthane.
« Nous avons découvert que le méthane, qui est généralement inerte, interagira avec une espèce centrée sur l’osmium-métal pour former un complexe osmium-méthane relativement stable. Notre complexe a une demi-vie effective d’environ 13 heures », déclare James Watson, auteur principal publiant dans Chimie naturelle. « Cela signifie qu’il faut 13 heures pour que la moitié du complexe se décompose.
« Cette stabilité, associée à la durée de vie relativement longue de ce complexe, permet une analyse approfondie de la structure, de la formation et de la réactivité de cette classe de [osmium] complexes et aide à éclairer la conception de catalyseurs qui ont le potentiel de transformer le méthane en composés plus synthétiquement utiles.
La technique analytique à laquelle M. Watson fait référence est la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). L’échantillon, pour être correctement analysé, doit exister pendant plus de quelques minutes, ce qui était impossible avec les précédents complexes métal-méthane formés à partir de méthane moléculaire (qui n’existaient que pendant quelques microsecondes). Le complexe osmium-méthane produit une demi-vie de 13 heures beaucoup plus stable et d’autres avantages.
« [In] Dans ce complexe, le méthane est parfaitement positionné – à proximité du centre d’osmium métallique du catalyseur – ce qui nous permet d’effectuer des transformations chimiques sur le méthane », explique M. Watson.
Le but de la spectroscopie RMN est de définir le complexe métal-méthane afin que des catalyseurs puissent être développés pour transformer le méthane en méthanol ou autres produits.
Le méthane (gaz naturel) est une molécule puissante à la fois comme source de carburant et comme gaz à effet de serre, et pourtant de grandes quantités de celui-ci sont brûlées dans le monde non pas pour chauffer les maisons ou pour cuisiner, mais plutôt pour être expulsées en tant que déchets.
« Le méthane est un sous-produit indésirable de la production de pétrole et, pour des raisons économiques, il est généralement brûlé dans un processus connu sous le nom de » torchage « », explique le co-auteur, le professeur agrégé Graham Ball. « La quantité de gaz brûlé de cette manière équivaut à peu près à la demande de gaz naturel de l’Amérique centrale et du Sud, ce qui entraîne 265 millions de tonnes de CO2 émissions en 2020. »
Ces déchets se produisent parce que le processus de conversion du méthane (gaz) en un carburant pratique sur le site – comme le méthanol (un liquide) – a, historiquement, été économiquement non viable. Nous n’avons tout simplement pas été en mesure de le convertir.
« Une façon de convertir le méthane en carburants liquides consiste à utiliser des catalyseurs contenant des éléments de métaux de transition », explique A / Prof. Balle.
« Pas seulement [are liquid fuels] beaucoup plus pratique et beaucoup plus sûr que le stockage de gaz, mais aussi [come in] à un coût énergétique beaucoup plus faible.
« Les carburants liquides sont plus faciles à transporter et seraient facilement intégrés dans notre infrastructure de carburant existante – l’essence E10 contient déjà 10% d’éthanol. S’il existait des méthodes efficaces et commercialement viables pour convertir le méthane en méthanol, par exemple, cela inciterait également à conserver le méthane pour la conversion et à éviter de le brûler sans but, réduisant ainsi l’utilisation globale des combustibles fossiles et les émissions nocives.
Traduire le méthane dans un état plus compatible et plus pratique que le « gaz » offre plus d’avantages.
« Peut-être que l’utilisation la plus pertinente du méthane comme matière première serait sa séquestration de l’atmosphère, ce qui pourrait limiter les dommages durables causés à l’environnement et aider à limiter le réchauffement climatique à 1,5.oC », déclare James Watson.
Trouver de l’osmium
Étant donné la candidature principale de l’osmium pour lier le méthane, pourquoi a-t-il fallu si longtemps pour le trouver ? Et comment l’équipe l’a-t-elle identifiée ?
« Avant de synthétiser des molécules, nous avons utilisé des méthodes informatiques pour prédire quelles molécules contiendraient à la fois un métal réactif et un » site vacant « , un site qui se lierait le plus fortement au méthane », explique le professeur A / Ball.
« C’est pourquoi nous avons fini par utiliser un métal plutôt ésotérique, l’osmium dans ce cas, avec d’autres groupes d’atomes autour de lui, car la modélisation prévoyait qu’il devrait bien lier le méthane… ce qu’il fait.
«Le site vacant est généré en faisant briller la lumière UV sur une solution d’un composé de métal de transition précurseur qui est dissous dans un solvant hydrofluorocarbone soigneusement sélectionné, le tout se produisant en présence de méthane ajouté. Le choix du solvant est crucial car les solvants de laboratoire courants se lient tous de préférence au méthane, mais pas l’hydrofluorocarbure.
C’est donc la combinaison de l’osmium et du solvant (l’efficacité du solvant ayant été précédemment identifiée par le Dr Camile Holt) qui est ici la clé.
« [While it] est peu probable que cela exact [osmium-methane] complexe sera exploité au profit de l’environnement, si nous pouvions affiner davantage le complexe afin qu’il continue à lier préférentiellement le méthane à des températures supérieures à -90oC alors nous pourrons peut-être effectuer plus de manipulations sur le méthane lié et finalement convertir le méthane en produits à valeur ajoutée », déclare M. Watson.
Selon les chercheurs, ce complexe osmium-méthane représente une étape importante dans la conversion du méthane en d’autres composés.
« Nous espérons que notre découverte éclairera la conception de catalyseurs de nouvelle génération plus efficaces qui peuvent être commercialement viables », déclare A / Prof. Balle.
La source: UNSW
