Placer la chimie catalytique au cœur de la transition énergétique verte
Le plasma est considéré comme le quatrième état de la matière(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), après les états solide, liquide et gazeux. Il se compose d’un gaz surchauffé dans lequel les atomes se dissocient en électrons libres et en ions positifs. En appliquant rapidement des impulsions (modulations) à la puissance d’entrée, à une échelle allant de la nanoseconde à la microseconde, il est possible de contrôler avec précision la production de ces électrons à haute énergie. En outre, les molécules de gaz environnantes sont maintenues à basse température, ce qui maximise l’efficacité chimique et énergétique. Cette méthode avancée d’excitation électrique, appelée plasma à modulation rapide, permet de générer du plasma froid ou de mettre en œuvre des procédés de plasma non thermique (NTP)(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Ceux-ci peuvent être utilisés pour la conversion chimique de petites molécules peu réactives, telles que le dioxyde de carbone, l’azote diatomique, le méthane et l’eau, à des températures et pressions proches des conditions ambiantes. Un catalyseur est toutefois nécessaire pour contrôler ces réactions et produire sélectivement les composés souhaités. Cela nécessite néanmoins une nouvelle approche, car le catalyseur peut aussi interrompre la réaction des molécules activées par le plasma au lieu d’agir en synergie avec elles.
Réduction de l’impact environnemental
Le projet SCOPE(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le CER, a relevé ce défi en étudiant, modélisant et appliquant l’interaction synergique entre le NTP et des catalyseurs solides. Cette combinaison produit un effet supérieur à la somme de leurs effets individuels. L’avantage des procédés NTP réside dans le fait qu’ils permettent de fonctionner dans des conditions très douces par rapport aux procédés catalytiques thermiques conventionnels. Cette technologie se prête également bien au couplage avec les énergies renouvelables et, par conséquent, à l’électrification des procédés chimiques. Le projet SCOPE a utilisé le NTP, dont l’empreinte carbonique est nettement plus faible (jusqu’à plus de 90 % de réduction), dans trois grandes réactions industrielles. Il s’agissait de la fixation de l’azote, de la valorisation du méthane pour produire des hydrocarbures à chaîne carbonée plus longue et de la conversion du dioxyde de carbone en combustibles solaires liquides. «Nous avons, par exemple, mis au point de nouveaux procédés permettant de produire des engrais de manière décentralisée à partir de l’azote atmosphérique», explique Gabriele Centi, coordinateur du projet basé à l’université de Messine(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), en Italie. «Les engrais de synthèse sont essentiels à la sécurité alimentaire mondiale, car ils fournissent l’azote nécessaire à la production des aliments consommés par près de la moitié de la population mondiale.»
De vastes applications dans de nombreux secteurs
Bien que SCOPE se soit concentré sur l’amélioration des procédés chimiques à grande échelle, cette technologie spécifique trouve des applications bien au-delà de l’industrie chimique. «Le plasma froid est incroyablement polyvalent et peut contribuer à rendre plus durables l’industrie manufacturière, l’agriculture, les soins de santé, la protection de l’environnement et même l’industrie alimentaire», observe Gabriele Centi. En agriculture, par exemple, le plasma froid peut être utilisé pour traiter les semences avant leur mise en terre. «Ce procédé sans produits chimiques améliore l’absorption de l’eau, augmente les taux de germination et favorise une croissance initiale plus vigoureuse des plantes, aidant ainsi les agriculteurs à accroître les rendements tout en réduisant le recours aux traitements chimiques», ajoute Gabriele Centi. Dans l’industrie du bois, le traitement au plasma rend quant à lui les surfaces en bois plus réceptives aux revêtements protecteurs. «Les fabricants peuvent ainsi obtenir le même niveau de protection tout en utilisant nettement moins de matériau de revêtement, ce qui réduit à la fois les coûts et l’impact environnemental», poursuit Gabriele Centi.
Un avenir prometteur
Le plasma trouve également sa place dans la production alimentaire, où il influence la formation des cristaux dans des produits comme le chocolat afin d’obtenir un meilleur brillant, une texture améliorée et le «craquant» caractéristique attendu par les consommateurs. Ce résultat peut désormais être obtenu en quelques minutes, contre plusieurs heures avec les méthodes de tempérage conventionnelles. Des approches similaires sont étudiées pour stériliser le matériel médical, développer de nouveaux matériaux, dépolluer l’air et l’eau(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ainsi que pour améliorer l’efficacité énergétique des procédés de fabrication. «Ce qui rend le plasma froid particulièrement prometteur, c’est qu’il permet de réaliser nombre de ces procédés avec une consommation d’énergie moindre et moins de produits chimiques, ce qui en fait une technologie importante pour un avenir plus durable», conclut Gabriele Centi.
