Tirer le maximum du gaz naturel

Utiliser le gaz naturel comme matière première pour les produits chimiques est un objectif poursuivi intensivement par la recherche en chimie. Des scientifiques dirigés par Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie catalytique, sont désormais parvenus à optimiser un procédé permettant de transformer des composants du gaz naturel en produits chimiques de plus grande valeur. "Nous rempla?ons une molécule du composant du gaz naturel, le méthane (CH₄), un atome d'hydrogène est remplacé par un atome de brome, ce qui permet de produire du bromométhane (CH₃Br) est produite", explique Pérez-Ramírez. "Celui-ci peut être utilisé par l'industrie chimique comme matière première pour la production de carburants et d'une série de produits chimiques comme les polymères et les médicaments".

Recyclage interne du brome

Lorsque le bromométhane est transformé en carburant et en produits chimiques, il libère du brome sous forme de bromure d'hydrogène (HBr). "La beauté de notre réaction est qu'elle permet de réintégrer le brome du bromure d'hydrogène dans le bromométhane à l'aide d'oxygène. Le cycle du brome est fermé, aucun brome n'est perdu dans le processus", explique Pérez-Ramírez.

Aujourd'hui déjà, l'oxybromation du méthane, comme on appelle cette réaction, est possible à l'aide de catalyseurs (accélérateurs de réaction). Cependant, elle génère souvent de grandes quantités de sous-produits indésirables. Les spécialistes en catalyse de l'ETH ont donc cherché un moyen d'augmenter la sélectivité de la réaction. Dans le cadre d'un processus de sélection en plusieurs étapes, ils ont comparé un grand nombre de matériaux catalytiques différents. Le phosphate de vanadium s'est avéré être le plus approprié.

Plus simple que via le gaz de synthèse

Le phosphate de vanadium est un catalyseur d'oxydation relativement doux, et c'est exactement ce que les chimistes souhaitent pour l'oxybromation du méthane. D'une part, le catalyseur est suffisamment puissant pour que le bromure d'hydrogène puisse réagir avec l'oxygène à sa surface. D'autre part, l'effet catalytique du phosphate de vanadium est trop faible pour qu'il oxyde de manière indésirable le méthane et les produits de réaction bromés.

"Notre méthode permet d'effectuer l'oxybromation du méthane en une seule étape, à la pression ambiante et à des températures inférieures à 500 degrés Celsius. Cela la rend également intéressante pour l'industrie", explique Vladimir Paunovi?, doctorant dans le groupe de Pérez-Ramírez. Pour convertir le méthane en produits chimiques supérieurs, l'industrie utilise actuellement une méthode indirecte avec du gaz de synthèse comme produit intermédiaire. Cette méthode est toutefois extrêmement gourmande en énergie et se déroule à des pressions élevées (jusqu'à 30 bars) et à des températures élevées (jusqu'à 1000 degrés).

Moins sensibles à la corrosion

Le nouveau catalyseur est en outre plus stable et plus durable que les précédents. "Le brome est un halogène. D'une part, les halogènes réagissent très facilement avec la substance de base, ce qui est souhaité ici. Mais d'un autre c?té, ils attaquent le catalyseur", explique Paunovi?, doctorant à l'ETH. "Notre catalyseur résiste bien mieux à la corrosion par les halogènes que les précédents, c'est pourquoi il peut être utilisé plus longtemps".

Si la recherche chimique s'efforce d'utiliser davantage le gaz naturel comme matière première pour la synthèse, c'est surtout parce qu'il est présent en grandes quantités. "Il y a actuellement un boom dans la recherche de gaz naturel. Si l'on y ajoute les gisements non conventionnels, plus difficiles d'accès, comme le gaz de schiste ou le gaz de couche de charbon, on estime que les gisements de gaz suffiront pour au moins 100 ans", explique le professeur Pérez-Ramírez de l'ETH. Aujourd'hui, le pétrole sert le plus souvent de matière première pour les produits chimiques. Mais ses gisements diminuent. Les chimistes voient dans le gaz naturel une alternative appropriée.