Une nouvelle voie durable pour produire des catalyseurs clés dans la transition énergétique

Dans la réaction de méthanation du CO₂, le dioxyde de carbone est transformé en méthane (CH₄) en présence d’hydrogène. Cette réaction est au cœur des technologies dites « power-to-gas » qui permettent de stocker l’électricité renouvelable sous forme de carburants chimiques.

De nombreux catalyseurs ont été mis au point pour activer cette réaction, notamment à base de nickel, de ruthénium ou de cobalt, supportés sur des oxydes métalliques. Les systèmes Ni–CeO₂ comptent parmi les plus prometteurs : le nickel active l’hydrogène tandis que CeO₂ facilite l’activation du CO₂. 

Si ces systèmes sont reconnus pour leur efficacité, leur synthèse repose souvent sur des méthodes conventionnelles – imprégnation, précipitation ou procédés solvothermaux – qui consomment d’importantes quantités de solvants, d’énergie et de réactifs. Repenser la manière de produire ces catalyseurs est donc un enjeu majeur pour réduire l’empreinte environnementale de ces technologies.

La nouvelle méthode mise au point par les scientifiques de l’Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (CNRS/ECPM/Université de Strasbourg) propose une approche plus durable. À partir d’un même mélange initial, plusieurs catalyseurs de compositions différentes peuvent être préparés en une seule série d’étapes. Le procédé repose sur la précipitation contrôlée de nanoparticules en solution et sur la réutilisation systématique du surnageant contenant les solvants et réactifs non consommés.

Une analyse de cycle de vie intégrant l’extraction des matières premières, la consommation d’énergie et la production de déchets, montre que cette stratégie permet de réduire de plus de 90% l’impact environnemental par gramme de catalyseur produit par rapport aux approches classiques. Ce gain provient notamment de la réutilisation de solvants et de la suppression de certaines étapes de synthèse énergivores.

Les catalyseurs obtenus présentent par ailleurs d’excellentes performances pour la méthanation du CO₂. Les formulations les plus riches en nickel atteignent jusqu’à 90 % de conversion du avec une excellente sélectivité vers le méthane, des résultats comparables à ceux des meilleurs systèmes rapportés dans la littérature. 

Des expériences réalisées en conditions operando, c’est-à-dire en observant le catalyseur pendant la réaction, ont permis d’identifier les mécanismes à l’origine de ces performances. Les chercheurs montrent que les interfaces entre le nickel et la cérine jouent un rôle déterminant : des espèces interfaciales de type Ni–O–Ce ainsi que des carbonates de surface participent à l’activation du CO₂ et à l’orientation sélective de la réaction vers le méthane.

En combinant méthode de synthèse durable, évaluation environnementale complète et compréhension fine des mécanismes catalytiques, ces travaux, publiés dans le J. Mater. Chem. A ouvrent la voie à une nouvelle génération de catalyseurs conçus pour accélérer la transition énergétique tout en réduisant l’empreinte écologique à chaque étape.

Rédacteur : CCdM