Produire de l'hydrogène en contrôlant les vibrations moléculaires
Rainer Beck et P. Morten Hundt dans leur laboratoire © 2014 Alain Herzog/EPFL
Convertir le méthane en hydrogène permet de produire de l’énergie propre et de favoriser l’agriculture. Ce processus nécessite de l’eau et un catalyseur. Or, des chercheurs de l’EPFL ont utilisé une nouvelle approche basée sur des lasers pour contrôler les vibrations spécifiques d’une molécule d’eau, et donc l’efficacité de cette réaction. Leur découverte est publiée dans Science.
Le gaz naturel (méthane) converti en hydrogène (H2) lest utilisé pour produire de l’énergie propre ou fabriquer des fertilisants de synthèse et d’autres produits chimiques. Cette réaction requiert de l’eau et un catalyseur en nickel. Le méthane et les molécules d’eau se fixent sur la surface du catalyseur. Là, ils se scindent en leurs composants atomiques. Ceux-ci, se recombinent ensuite pour former différents composés, comme le H2 et CO. Si les recherches précédentes se sont efforcées de saisir comment le méthane se sépare, les contraintes expérimentales n’ont pas permis d’étendre cette compréhension à la scission de l’eau. Dans un article du journal Science, des scientifiques de l’EPFL annoncent qu’ils ont pu déterminer pour la première fois, à l’aide de lasers, comment les diverses vibrations d’une molécule d’eau affectent sa capacité à se diviser. Ces résultats ont permis d’améliorer les modèles théoriques de scission de l’eau (Université du Nouveau-Mexique), et pourraient ainsi influencer la conception de futurs catalyseurs.
Le méthane est largement employé dans l’industrie pour obtenir de l’hydrogène, qui sert de carburant propre et de matière première pour produire l’ammoniac utilisé dans les fertilisants de synthèse. Le processus de fabrication de l’hydrogène est appelé «reformage à la vapeur», car il implique que le méthane réagisse avec la vapeur d’eau. Cette réaction requiert un catalyseur métallique, qui permet aux molécules de se scinder et de se recombiner efficacement. Or, si la scission du méthane a été étudiée pendant plus de dix ans, celle de l’eau restait encore floue.
Réglage fin entre lasers et vibrations
L’équipe de Rainer Beck de l’EPFL a démontré que la scission de l’eau dépendait beaucoup des vibrations internes entre atomes d’hydrogène et d’oxygène. A l’intérieur d’une molécule, ces derniers ne sont en effet pas statiques, mais se meuvent de différentes façons. Lorsqu’il s’agit d’eau, les deux atomes d’hydrogène peuvent vibrer en ciseaux (cisaillement), s’étirer ensemble d’avant en arrière (étirement symétrique) ou à tour de rôle (étirement asymétrique). «Ces étirements entre atomes d’oxygène et d’hydrogène influencent fortement la qualité de scission des molécules d’eau sur un catalyseur », déclare Rainer Beck, du Laboratoire de chimie physique moléculaire de l’EPFL.
La maîtrise des différents types de vibrations est fondamentale pour comprendre la capacité d’une molécule d’eau à se scinder dans des conditions d’ expérimentation douce ??. Tout en optant pour un catalyseur en nickel - traditionnellement utilisé dans le reformage à la vapeur- , l’équipe a eu recours à des lasers pour contrôler précisément l’excitation des molécules d’eau. «Si vous chauffez le système avec une flamme par exemple, vous stimulez tous les degrés de liberté en même temps , explique Rainer Beck. On augmente également l’énergie cinétique, si bien que toutes les molécules d’eau frappent la surface de nickel à des vitesses accrues, mais on ne peut contrôler en rien les vibrations individuelles des atomes. Par contre, un laser permet d’obtenir un type de vibration bien spécifique, et donc de mesurer un état énergétique à la fois. »
Les données ont montré que le degré des vibrations d’étirement entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène dans une molécule d’eau déterminait l’aptitude de celle-ci à se scinder à le catalyseur. En effet, le laser ajoute de l’énergie aux molécules d’eau, augmentant leurs vibrations jusqu’à les diviser à la surface du catalyseur. L’instant précis où les molécules d’eau sont prêtes à réagir est appelé «état de transition». «Idéalement, nous souhaitons déformer les molécules avant qu’elles ne frappent la surface, de manière à orienter la structure vers cet état transitoire, ajoute Rainer Beck. C’est la raison pour laquelle les vibrations sélectionnées par laser sont plus efficaces que le réchauffement d’un système entier: nous plaçons toute l’énergie là où elle doit être pour casser les liaisons moléculaires.»
De la pratique à la théorie
Cette faculté sans précédent de provoquer des types spécifiques de vibrations a permis aux théoriciens de l’Université du Nouveau-Mexique de calculer l’ensemble des forces existantes entre les atomes et la surface du catalyseur de nickel. Ils ont également pu simuler ce qui arrive lorsque la molécule d’eau frappe la surface du catalyseur avec chaque type de vibration. Sans ces mesures expérimentales, de tels calculs seraient bien trop aléatoires.
«Grâce à nos données, les théoriciens peuvent comparer directement leur modèle aux données expérimentales, et ce pour chaque type de vibration, ce qui est bien plus précis, rajoute Rainer Beck. Cela permet d’optimiser les modèles de scission, qui peuvent ensuite mieux prédire comment d’autres molécules que l’eau ou le méthane vont réagir sur une surface donnée. Nos expériences vont guider le développement de la théorie prédictive.»
Cette optimisation des modèles théoriques peut également conduire à un développement plus rapide et efficace de catalyseurs pour de nombreuses réactions chimiques industrielles ou commerciales. Comme l’explique Rainer Beck: «on peut par exemple utiliser un modèle informatique pour modifier l’espacement des atomes du catalyseur ou changer la structure de sa surface. C’est une manière moins onéreuse et plus directe de trouver un bon catalyseur, plutôt que d’avoir recours à defastidieux tâtonnements. Une fois le modèle théorique trouvé, nous avons toutefois besoin de ces données pour le confronter.»
Cette étude a été réalisée par le Laboratoire de chimie physique moléculaire de l’EPFL (LCPM) et le Département de chimie et biologie chimique de l’Université du Nouveau-Mexique.
Source
Hundt PM, Jiang B, van Reijzen ME, Guo H, Beck RD. Vibrationally Promoted Dissociation of Water on Ni(111). Science 2 May 2014: Vol. 344 no. 6183 pp. 504-507 DOI: 10.1126/science.1251277