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La lumière transforme la biomasse en gazole et hydrogène

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La biomasse est la matière organique provenant de résidus agricoles, de l'exploitation des forêts ou d'autre activités humaines ; elle représente une des plus importantes sources de carbone dans la nature (800 Mt de matière sèche de biomasse sont récoltées, et utilisées en Europe d'après les sources européennes officielles) et s'intègre dans la panoplie des sources  renouvelables contribuant  à un mélange énergétique décarboné. 

Bien que les batteries et les véhicules électriques soient en point de mire, les carburants liquides restent aujourd'hui de loin le moyen le plus efficace de stocker de l'énergie directement utilisable par les voitures, les avions ou encore les usines de production industrielle. 

L'utilisation de la biomasse en remplacement du pétrole requiert des technologies de transformation efficientes, sans lesquelles l'avantage énergétique peut se trouver très réduit. Les procédés thermiques actuels sont rapides mais énergivores, alors que les méthodes biotechnologiques sont lentes et occupent de grands volumes.

Les procédés photocatalytiques, qui eux utilisent la lumière et des catalyseurs pour réaliser ces transformations sont rarement efficaces : la plupart du temps, ils utilisent la biomasse pour produire de l'hydrogène, mais la technique elle même produit des déchets, et une partie de la biomasse (ou un autre composant sacrifié dans la réaction) est consommé pour protéger le catalyseur lui-même de la corrosion, comme il est rapporté dans la littérature (1,2).

Les groupes du Professeur Wang de l'Académie des Sciences Chinoise (Chine) et du Professeur Fornasiero de l'Université de Trieste (Italie) ont conçu et mis en œuvre une méthode qui convertit les méthylfuranes issus de la lignocellulose (elle même abondante dans la biomasse) en précurseurs du carburant diesel et en hydrogène simultanément. L'hydrogène produit peut alors être utilisé pour fermer la boucle en produisant finalement le gazole (voir figure ci-dessous).

Ils ont découvert que le point critique de ce processus est la phase d'oligomérisation, qui peut facilement être réalisée par photocatalyse en utilisant un catalyseur ZnIn2S4dopé au Ru. Selon la composition de la matière première, le rendement quantique apparent pourrait grimper de 1,9% jusqu'à un confortable 15,2%. Il s'agit là d'une première mais prometteuse étape.

La compréhension de la structure de ces catalyseurs avant et pendant leur utilisation a nécessité du temps et des méthodes sophistiquées, parmi lesquelles la spectroscopie d'absorption des rayons X sur la ligne de lumière SAMBA à SOLEIL, par le Dr. Fonda, et la microscopie électronique haute résolution au Forschungszentrum Juelich GmbH (Allemagne) par le Dr. Heggen.

La ligne SAMBA est particulièrement bien adaptée à l'étude de ces "nanofleurs" catalytiques, composées de Ru (précieux et mais utilisé à très faible concentration comme dopant, à 0,46 mol%), de Zn et de sulfure d'In. Ces trois éléments ont été illuminés en suspension, et on pu être étudiés grâce au pouvoir pénétrant des rayons X dans la matière et à la sensibilité des détecteurs de la ligne. Il a par exemple été possible de corréler une désactivation partielle du catalyseur durant les premières heures de fonctionnement avec la formation d'une petite fraction de Ru métallique à la surface des nanofleurs, soulignant l'importance du dopage en Ru. 

La capacité d'étudier des nano-catalyseurs,  même dilués, en condition réelles de fonctionnement constitue un avantage certain de SAMBA, et un axe qui sera encore développé dans le futur à SOLEIL. 

Références :

1 - I. Shown, S. Samireddi, Y.-C. Chang, R. Putikam, P.-H. Chang, A. Sabbah, F.-Y. Fu, W.-F. Chen, C.-I. Wu, T.-Y. Yu, P.-W. Chung, M. C. Lin, L.-C. Chen & K.-H. Chen, "Carbon-doped SnS2 nanostructure as a high-efficiency solar fuel catalyst under visible light", Nature Communications 9, Article number: 169 (2018) 

2 - V. Kumaravel, M. Danyal Imam, A. Badreldin, R.K. Chava, J. Yeon Do, M. Kang & A. Abdel-Wahab, "Photocatalytic Hydrogen Production: Role of Sacrificial Reagents on the Activity of Oxide, Carbon, and Sulfide Catalysts", Catalysts 2019, 9, 276; doi:10.3390/catal9030276