Un catalyseur réduit considérablement la pollution par le méthane des moteurs

Le catalyseur réduit considérablement la pollution par le méthane des moteurs : des atomes de palladium individuels attachés à la surface d'un catalyseur peuvent éliminer 90 % du méthane non brûlé des gaz d'échappement des moteurs à gaz naturel à basse température, ont rapporté aujourd'hui des scientifiques dans la revue Nature Catalysis.

Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, ont-ils déclaré, les progrès de la catalyse à atome unique pourraient potentiellement réduire les émissions de méthane, l'un des pires gaz à effet de serre, qui emprisonne la chaleur environ 25 fois plus vite que le dioxyde de carbone.

Des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie et de l'université de l'État de Washington ont montré que le catalyseur éliminait le méthane des gaz d'échappement des moteurs à la fois aux températures les plus basses où les moteurs démarrent et aux températures plus élevées où ils fonctionnent le plus efficacement, mais où les catalyseurs tombent souvent en panne.

"Il s'agit presque d'un processus d'auto-modulation qui surmonte miraculeusement les défis auxquels les gens ont été confrontés - l'inactivité à basse température et l'instabilité à haute température", a déclaré Yong Wang, professeur Regents à l'école Gene et Linda Voiland de génie chimique et de bio-ingénierie de la WSU et l'un des quatre auteurs principaux de l’article.

Une source croissante de pollution au méthane

Les moteurs fonctionnant au gaz naturel alimentent 30 à 40 millions de véhicules dans le monde et sont populaires en Europe et en Asie. L'industrie du gaz naturel les utilise également pour faire fonctionner des compresseurs qui pompent le gaz jusqu'aux habitations. Ils sont généralement considérés comme plus propres que les moteurs à essence ou diesel, créant moins de pollution par le carbone et les particules.

Cependant, lorsque les moteurs au gaz naturel démarrent, ils émettent du méthane non brûlé qui emprisonne la chaleur, car leurs convertisseurs catalytiques ne fonctionnent pas bien à basse température. Les catalyseurs actuels pour l'élimination du méthane sont soit inefficaces à des températures d'échappement plus basses, soit ils se dégradent gravement à des températures plus élevées.

« Il y a une forte tendance à utiliser le gaz naturel, mais lorsque vous l'utilisez pour des moteurs à combustion, il y aura toujours du gaz naturel non brûlé dans les gaz d'échappement, et vous devez trouver un moyen de l'éliminer. Sinon, vous provoquerez un réchauffement climatique plus grave », a déclaré le co-auteur Frank Abild-Pedersen, scientifique du SLAC et codirecteur du Centre SUNCAT pour la science des interfaces et la catalyse du laboratoire, géré conjointement avec l'Université de Stanford. "Si vous pouvez éliminer 90 % du méthane des gaz d'échappement et maintenir la réaction stable, c'est formidable."

Un catalyseur avec des atomes uniques du métal chimiquement actif dispersés sur un support utilise également chaque atome du métal coûteux et précieux, a ajouté Wang.

"Si vous pouvez les rendre plus réactifs", a-t-il déclaré, "c'est la cerise sur le gâteau".

Aide inattendue d'un autre polluant

Dans leurs travaux, les chercheurs ont montré que leur catalyseur composé d'atomes de palladium uniques sur un support d'oxyde de cérium éliminait efficacement le méthane des gaz d'échappement du moteur, même lorsque le moteur venait tout juste de démarrer.

Ils ont également découvert que des traces de monoxyde de carbone, toujours présentes dans les gaz d’échappement des moteurs, jouaient un rôle clé dans la formation dynamique de sites actifs pour la réaction à température ambiante. Le monoxyde de carbone a aidé les atomes uniques de palladium à migrer pour former des amas de deux ou trois atomes qui séparent efficacement les molécules de méthane à basse température.

Puis, à mesure que la température des gaz d’échappement augmentait, les amas se brisaient en atomes uniques et se redispersaient, de sorte que le catalyseur était thermiquement stable. Ce processus réversible permettait au catalyseur de fonctionner efficacement et d'utiliser chaque atome de palladium pendant tout le temps de fonctionnement du moteur, y compris lorsqu'il démarrait à froid.

"Nous avons vraiment pu trouver un moyen de maintenir le catalyseur au palladium supporté stable et hautement actif et, grâce à la diversité des expertises au sein de l'équipe, de comprendre pourquoi cela se produisait", a déclaré Christopher Tassone, scientifique du SLAC.

Les chercheurs travaillent à faire progresser la technologie des catalyseurs. Ils aimeraient mieux comprendre pourquoi le palladium se comporte d’une certaine manière alors que d’autres métaux précieux comme le platine agissent différemment.