Le réglage des propriétés des couches de membrane et de catalyseur optimise les réacteurs pour les piles à combustible et plus encore

L’éthylène est un produit chimique largement utilisé comme matière première pour la production de polymères et de produits chimiques industriels. Le couplage oxydatif du méthane (OCM) est un moyen prometteur et économe en énergie de créer de l’éthylène à partir du gaz naturel en faisant réagir le méthane avec l’oxygène. Cependant, la méthode a ses inconvénients. Trop d’oxygène peut réduire les rendements des produits en convertissant l’éthylène en dioxyde de carbone.

Pour contourner ce problème, certains ingénieurs se tournent vers des conceptions de réacteurs qui introduisent lentement de l’oxygène dans le flux de méthane, ce qui limite l’exposition des produits chimiques souhaités à l’oxygène. De telles solutions sont cependant plus compliquées et plus coûteuses qu’un réacteur conventionnel, dans lequel le méthane et l’oxygène seraient simplement introduits ensemble en tant que réactifs en phase gazeuse sur un matériau catalyseur.

“Pour un avenir plus durable, nous devons repousser les limites de la conception des processus de conversion chimique. L’introduction d’outils de fabrication additive peut être utile pour réaliser des conceptions plus complexes”, a déclaré Suljo Linic, professeur collégial Martin Lewis Perl de génie chimique et auteur correspondant de l’étude publiée dans Matériaux naturels.

Des chercheurs de l’Université du Michigan ont conçu un réacteur catalyseur à membrane multifonctionnel qui minimise les réactions entre l’oxygène et l’éthylène tout en maintenant des taux d’oxydation du méthane élevés. La nouvelle conception pourrait rendre cette méthode économe en énergie de création de produits à partir de gaz naturel plus économique en surmontant les problèmes de rendement des conceptions précédentes de réacteurs à membrane OCM.

Le réacteur de l’équipe utilise un système de catalyseur à membrane à fibres creuses constitué de plusieurs couches de catalyseur de cérate de baryum dopé au gadolinium. Les fibres de cérate de baryum ont un rapport surface/volume élevé qui permet une production volumétrique élevée d’éthylène. Ces systèmes multifonctionnels sont fabriqués en une seule étape en employant des approches de fabrication additive qui tirent parti de la coextrusion du catalyseur et de la membrane.

Cette approche permet à l’équipe de réaliser de fines membranes intercalées entre des couches de catalyseur plus épaisses et plus poreuses qui facilitent la réaction entre l’oxygène et le méthane, et plus largement d’ajuster les vitesses de transport et de réaction afin qu’elles correspondent.

Les membranes plus fines augmentent la vitesse à laquelle l’oxygène de surface réagit avec le méthane, ce qui accélère la production d’éthylène, mais pourrait également permettre à davantage d’oxygène indésirable de s’accumuler et de réagir avec l’éthylène.

Pour contourner ce problème, l’équipe a modifié le nombre de sites actifs en OCM dans son réacteur de telle sorte que les taux de réaction méthane-oxygène correspondent précisément au taux de diffusion de l’oxygène. Ce changement entraîne l’épuisement de tout l’oxygène introduit dans le système dans des réactions avec le méthane avant qu’il n’ait la chance de voir l’éthylène.

“L’ajustement du taux d’activation du méthane au taux de diffusion de l’oxygène a donné des rendements d’éthylène étonnamment élevés par rapport à un réacteur conventionnel composé du même matériau catalyseur”, a déclaré James Wortman, doctorant en génie chimique travaillant dans le laboratoire de Linic.

Être capable d’ajuster facilement les propriétés des couches de membrane et de catalyseur pourrait offrir un moyen prometteur d’optimiser les réacteurs pour d’autres produits chimiques souhaités, tels que les piles à combustible, les électrolyseurs et les réactions d’oxydation partielle, a déclaré Wortman.