Au labo, le soleil transforme les déchets du biodiesel en hydrogène

Sous le faisceau d'un instrument à rayons X du Synchrotron australien, une poudre de catalyseur se trouve face à la lumière qui l'active. Lorsque la lumière s'allume, les atomes de nickel et de cobalt à sa surface changent d'état chimique ; lorsqu'elle s'éteint, ils reviennent à leur état initial. Ces allers-retours, observés en moins d'une seconde, sont au cœur d'une nouvelle étude dirigée par des chercheurs de l'université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW).

Le procédé s'appelle le photoreformage. L'énergie lumineuse entraîne une réaction qui décompose une matière première en hydrogène et en d'autres produits simultanément. L'équipe a choisi le glycérol, sous-produit de la production de biodiesel, que l'industrie du biodiesel, en plein essor, produit en grandes quantités, soit environ 100 kilogrammes par tonne de biodiesel. Le glycérol brut peut ne valoir que 0,11 dollar américain le kilogramme. Le transformer en glycéraldéhyde et en dihydroxyacétone, utilisés dans l'industrie chimique et pharmaceutique, change cette valeur. Ces deux produits sont valorisés à environ 75 dollars américains et 150 dollars américains le kilogramme.

Le photocatalyseur est constitué de sulfure de zinc et d'indium, modifié par de très faibles quantités de nickel et de cobalt. Sous lumière visible, le cocatalyseur nickel-cobalt a multiplié par environ 10 fois le taux de dégagement d'hydrogène par rapport au matériau non modifié. Il a aussi changé la destination du glycérol. La surface non modifiée favorisait surtout une voie menant à l'hydroxyacétone ; avec le nickel et le cobalt, une plus grande part du glycérol a emprunté les voies menant au glycéraldéhyde et à la dihydroxyacétone.

Le mécanisme a été la partie la plus difficile à observer. Grâce à la spectroscopie d'absorption des rayons X in situ (XAS), qui lit l'état chimique d'un métal pendant que le matériau fonctionne, le chercheur principal à l'ANSTO Bernt Johannessen et ses collègues ont suivi les sites de nickel et de cobalt. Au départ, ces sites étaient majoritairement sous forme d'ions chargés positivement ; sous lumière, ils se sont davantage réduits, forme associée au catalyseur actif. Des mesures témoins dans l'obscurité ont montré que le changement était dû à la lumière, et non au faisceau de rayons X. Une seconde technique, la microspectroscopie infrarouge, a suivi les molécules à la surface et a aidé à identifier les intermédiaires du processus.

Pour les producteurs de biodiesel, l'intérêt de l'approche dépend de ce qu'elle pourrait, à terme, permettre de faire de leur glycérol excédentaire, et l'étude ne répond pas à cette question. Elle ne donne ni prix du procédé, ni chiffre de capacité, ni date de démonstration hors laboratoire, et ses chiffres d'hydrogène proviennent d'une lumière solaire simulée. Ce qu'elle établit, c'est une méthode pour observer le fonctionnement du catalyseur, ce qui, selon l'équipe, permet de concevoir des catalyseurs capables d'orienter la réaction vers les produits voulus. Tout passage de ce résultat de paillasse à une usine commencerait par ce travail de conception.