Une pérovskite pour la conversion photocatalytique efficace de l'éthane en éthylène et en hydrogène

Éthylène (C₂H₄) est un composé hautement inflammable largement utilisé dans de nombreux contextes, notamment la fabrication d'emballages et d'articles à base de plastique, l'industrie chimique, l'agriculture et les soins de santé. Développer des méthodes efficaces et durables pour produire de l’éthylène à grande échelle pourrait contribuer à répondre à la demande croissante de cet hydrocarbure polyvalent.

Une façon possible de produire de l'éthylène consiste à convertir l'hydrocarbure éthane (C₂H₆), abondant dans le gaz naturel, en éthylène et en hydrogène. Les méthodes proposées pour y parvenir nécessitent cependant une énergie électrique importante et sont donc associées à une empreinte carbone importante.

Des chercheurs de l'Université Soochow, de l'Université de Toronto et d'autres instituts ont récemment introduit une nouvelle approche pour produire de l'éthylène via la déshydrogénation photocatalytique de l'éthane à l'énergie solaire en utilisant l'oxyde de pérovskite LaMn._1−xCuxO₃. Cette pérovskite, décrite dans un article publié dans Énergie naturellepossède des propriétés favorables qui en font un photocatalyseur sélectif prometteur pour convertir l'éthane en éthylène et en hydrogène à l'aide de la lumière solaire ou LED.

“La production d'éthylène à l'échelle industrielle se fait principalement par vapocraquage de l'éthane à l'aide d'énergie fossile, un processus à haute température et à haute énergie”, ont écrit Rui Song, Guanshu Zhao et leurs collègues dans leur article. “Une voie alternative, photochimique, alimentée par la lumière du soleil et fonctionnant dans des conditions ambiantes, pourrait potentiellement atténuer certaines des émissions de gaz à effet de serre associées. Nous rapportons la déshydrogénation photocatalytique de l'éthane en éthylène et en hydrogène à l'aide de LaMn._1−xCu_XÔ₃“.

Song, Zhao et leurs collègues ont montré qu'en utilisant l'oxyde de pérovskite LaMn_1−XCu_XÔ₃ en tant que photocatalyseur, ils pourraient convertir efficacement l’éthane en éthylène et en hydrogène sans avoir besoin de sources de chaleur externes. Cette conversion peut être réalisée à l’aide de lampes solaires ou LED, entraînant ainsi une réduction des émissions de carbone.

“Cet oxyde de pérovskite possède des sites acides de Lewis rédox-actifs, comprenant Mn(III) et Mn(IV), et des sites de bases de Lewis, comprenant O(-II) et OH(-I), collectivement appelés paires de Lewis frustrées en surface,” l’équipe a écrit. “Nous constatons que l'ajustement des proportions relatives de ces sites optimise l'activité, la sélectivité et le rendement de la déshydrogénation de l'éthane.”

Les chercheurs ont évalué leur approche de production d’éthylène à l’énergie solaire à l’aide d’un prototype de dispositif sur le toit et ont atteint des taux de production d’éthylène remarquables. De plus, ils ont effectué des analyses techniques et économiques complètes, qui ont mis en évidence le potentiel économique important de la solution proposée.

“Le taux de production d'éthylène et de conversion d'éthane le plus élevé atteint était d'environ 1,1 mmol g⁻¹ h⁻¹ et 4,9 %, respectivement », ont écrit Song, Zhao et leurs collègues. « Nous montrons un simple prototype extérieur pour démontrer la viabilité d'un processus solaire d'éthylène. En outre, l’analyse technico-économique a révélé le potentiel économique d’une production solaire d’éthylène à l’échelle industrielle à partir d’éthane. »

Pour maximiser l’absorption de la lumière et minimiser les pertes, le photocatalyseur et le photoréacteur prenant en charge ce processus de conversion de l’éthane devront être soigneusement conçus. Pourtant, les résultats obtenus jusqu’à présent sont très prometteurs, suggérant que ce nouveau photocatalyseur à base d’oxyde de pérovskite pourrait s’avérer avantageux pour la future production d’éthylène à grande échelle.

Dans leurs prochaines études, Song, Zhao et leurs collègues prévoient d'étudier plus en détail les performances de leur photocatalyseur et de leur photoréacteur, en explorant spécifiquement leurs effets sur les réactions catalytiques. En outre, ils espèrent améliorer encore l’activation photochimique, la capture de la lumière et les taux de transport de la lumière, afin de stimuler davantage le LaMn._1−xCu_XÔ₃ l'efficacité photocatalytique de la pérovskite.

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