Comment les catalyseurs fabriqués en laboratoire peuvent aider à convertir les gaz à effet de serre difficiles

Le gaz naturel est constitué d’hydrocarbures légers tels que le méthane et l’éthane. Ces gaz sont des gaz à effet de serre plus puissants que le CO₂sont constamment rejetés dans l’atmosphère par les puits de gaz naturel et sont plus difficiles à stocker que, par exemple, leurs alcools correspondants (respectivement méthanol et éthanol).

Bien qu’il existe des installations à grande échelle pour transformer le gaz naturel, le coût excessif de la construction et de l’exploitation de telles usines sur des puits de gaz naturel plus petits empêche une conversion efficace à l’échelle mondiale. Ainsi, de nouvelles technologies rentables et inoffensives pour résoudre ce problème sont très recherchées.

L’oxydation directe des constituants hydrocarbonés du gaz naturel avec une abondance d’O₂ car l’oxydant à des températures et pressions proches de l’ambiante est donc extrêmement attractif pour le développement de nouvelles technologies vertes pour la valorisation des hydrocarbures. Les scientifiques ont désormais réussi à maîtriser les gaz grâce à un nouveau catalyseur. L’équipe de recherche a publié ses résultats dans Science.

La nature a développé des enzymes capables d’activer le dioxygène pour des réactions sélectives d’oxygénation des hydrocarbures. Une classe d’enzymes contenant du fer non héminique est constituée des dioxygénases dépendantes de l’α-cétoglutarate, telles que l’enzyme taurine dioxygénase (TauD), bien étudiée. Cette enzyme utilise un acide α-céto comme co-substrat pour cliver la liaison oxygène-oxygène du dioxygène afin de produire une espèce réactive fer-oxo (TauD-J) qui oxygène directement d’abondantes liaisons C-H pour fournir les alcools correspondants.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le professeur Jeffrey R. Long de l’UC Berkeley et comprenant des chercheurs des deux instituts Mülheim Max Planck (MPI für Kohlenforschung et MPI for Chemical Energy Conversion), les directeurs Frank Neese et Serena DeBeer, ainsi que les chefs de groupe Eckhard Bill (décédé le 6 octobre 2022), Daniel J. SantaLucia, Dimitrios A. Pantazis et Sergey Peredkov ont pu imiter la fonctionnalité TauD dans un matériau catalyseur hétérogène bien adapté aux réactions solide-gaz.

Ce matériau appartient à la classe des structures métallo-organiques (MOF), qui sont des matériaux cristallins poreux constitués de lieurs organiques et d’ions métalliques ou de nœuds de cluster présentant de grandes surfaces. Les structures sont hautement ajustables chimiquement et permettent ainsi une adaptation bien définie de nouveaux catalyseurs hétérogènes.

Les nouveaux matériaux sont capables d’oxygénation catalytique des hydrocarbures à des températures proches de la température ambiante en utilisant de l’O₂– qui rappelle la réactivité enzymatique. L’équipe du campus de chimie de Mülheim a étudié l’intermédiaire réactif généré à partir du MOF et de l’O de départ.₂une espèce de fer-oxo à haute valence.

La nature du matériau a permis l’isolement sur site de cette espèce réactive fer-oxo, qui a été étudiée à l’aide de diverses techniques spectroscopiques de pointe, à savoir la spectroscopie Mössbauer à champ variable à température variable et la spectroscopie d’émission de rayons X Fe Kβ. (collectés sur la ligne de rayons X PINK de BESSY II au Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), ainsi que des méthodes informatiques de pointe, qui ont confirmé les similitudes structurelles et électroniques avec TauD-J, à savoir que l’intermédiaire est dans un état de spin élevé.

De manière significative, il s’agit du premier système non enzymatique qui oxyde les hydrocarbures légers avec du dioxygène semblable à la réactivité des métalloenzymes via un intermédiaire fer-oxo à spin élevé entièrement caractérisé.