Un catalyseur zéolitique sans métal de transition pour la conversion directe du méthane en méthanol

À la lumière du mouvement de valorisation des déchets, la technologie permettant de convertir les gaz à effet de serre en matériaux à valeur ajoutée a suscité une attention considérable ces dernières années. L’une de ces technologies est la conversion catalytique du méthane en méthanol, un solvant industriel largement utilisé et une matière première pour la synthèse chimique. Le processus industriel de conversion du méthane en méthanol est extrêmement gourmand en énergie et en ressources.

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont développé plusieurs systèmes catalytiques permettant l’oxydation directe du méthane en méthanol. Cependant, la plupart d’entre eux sont basés sur des métaux de transition ou nobles rares et coûteux.

Dans une étude récente, un groupe de chercheurs, dirigé par le professeur agrégé Toshiyuki Yokoi et comprenant le professeur adjoint Peipei Xiao, tous deux de l'unité de catalyse nanospatiale de l'Institut de recherche innovante de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a trouvé une solution au problème existant. sous forme de zéolite aluminosilicate ferriérite (FER) sans métal de transition. FER est une zéolite bidimensionnelle avec des canaux à 8 anneaux et des canaux à 10 anneaux intersectés connus pour être très stables face aux traitements chimiques et thermiques.

Profitant de cette propriété structurelle unique, Yokoi et son équipe ont démontré pour la première fois l’oxydation directe du méthane en méthanol en utilisant le protoxyde d’azote comme source d’oxygène. Les résultats de cette étude ont été publiés dans le Journal de la Société américaine de chimie le 10 avril 2024.

“Les zéolites échangées avec des métaux de transition ont été largement utilisées dans les systèmes de réaction en phase gazeuse et liquide. Il a été rapporté que de telles fractions avaient des sites actifs inspirés des systèmes enzymatiques biocatalytiques naturels.

“Bien que les catalyseurs chargés en métaux de transition soient très populaires, les catalyseurs zéolitiques constitués uniquement d'éléments du groupe principal pour l'oxydation directe du méthane en méthanol sont restés inexplorés”, remarque Yokoi lorsqu'on l'interroge sur la motivation derrière le développement des zéolites FER.

Pour obtenir une image claire des sites actifs dans le catalyseur zéolitique, l’équipe a effectué une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et une spectroscopie de résonance magnétique. Les tests ont révélé de l'Al tétracoordonné déformé dans la charpente et de l'Al pentacoordonné dans la charpente supplémentaire formée au cours des processus d'activation, de calcination et de réaction. Ces structures ont été établies comme centres actifs potentiels.

L’équipe a également étudié la voie de réaction possible à l’aide des spectres FTIR d’adsorption du protoxyde d’azote et de l’observation des performances de réaction sous différents oxydants. Ils ont découvert que le processus commençait par l'absorption de protoxyde d'azote sur les sites actifs d'Al et la formation de « α-O » conduisant à la libération d'azote.

S'ensuit l'adsorption du méthane sur les sites actifs “α-O” et la rupture des liaisons C−H. Après la rupture de la liaison, le méthanol a été obtenu par désorption suivie de la récupération des espèces actives d'Al.

Le nouveau procédé d'oxydation directe catalysée par zéolite sans métal de transition a permis d'obtenir 305 μmol g⁻¹ min⁻¹ taux de production de méthanol avec une sélectivité de 89 % de méthanol et 10 % d'éther diméthylique, enregistrant ainsi l'une des performances les plus élevées rapportées dans la littérature, encore meilleure que de nombreux catalyseurs chargés de métaux de transition.

“Nos résultats ouvriront une toute nouvelle voie pour le développement de l'oxydation directe du méthane en méthanol sur des zéolites aluminosilicates sans métaux de transition, permettant ainsi l'utilisation du méthane et de l'oxyde nitreux pour d'autres produits chimiques utiles sur des zéolites aluminosilicates avec différentes structures topologiques. “, ajoute Yokoi, décrivant les implications réelles de leurs recherches.

Dans l’ensemble, la nouvelle stratégie proposée dans cette étude peut créer un impact environnemental positif en réduisant la quantité de gaz à effet de serre circulant dans l’atmosphère et en contribuant à l’économie en facilitant la synthèse de produits chimiques précieux à partir de matières premières indésirables.