Catalyse hétérogène pour les nouvelles énergies - Vers des carburants renouvelables

Un catalyseur est une substance accélérant une réaction chimique sans être lui-même consommé. En catalyse chimique, on distingue la catalyse homogène (catalyseur dissous) de la catalyse hétérogène (catalyseur solide). Par ailleurs, la source d’activation du processus catalytique peut être thermique, électrique, photonique, etc. Présente dans la plupart des procédés industriels actuels, la catalyse hétérogène thermique a révolutionné l’agrochimie (engrais) avec le procédé Haber-Bosch pour la production d’ammoniac et est essentielle en raffinage (carburants), pétrochimie (plastiques et autres produits) et dépollution (pots catalytiques). L’efficacité du catalyseur dépend de nombreux paramètres tels que l’activité intrinsèque, la quantité et l’accessibilité des sites actifs, qui peuvent être optimisées via le choix des matériaux et la méthode de préparation, notamment sous forme de nanoparticules métalliques supportées sur un solide poreux.

La catalyse est appelée à jouer un rôle majeur dans un contexte de transition énergétique. L’énergie se manifeste sous différentes formes (mécanique, thermique, chimique…). On distingue les sources primaires – naturelles, comme le soleil et la matière fossile –, des secondaires – transformées, comme la chaleur et l’électricité. La catalyse intervient nécessairement dans la conversion des sources primaires en vecteurs chimiques de l’énergie que sont les carburants. Pour réduire la dépendance aux énergies fossiles, de nouvelles solutions catalytiques ont émergé : valorisation du CO ₂ et de la biomasse, production d’hydrogène vert et d’e-fuels, stockage d’hydrogène dans les liquides organiques et l’ammoniac, et dispositifs tels que les électrolyseurs et les piles à combustible. Ces innovations sont essentielles pour un accès durable à l’énergie et requièrent le développement de catalyseurs toujours plus performants et résistants, par exemple pour réinventer la raffinerie (bioraffinerie) et proposer des voies industrialisables à partir de ressources non fossiles.

L’article débute par une introduction des notions clés puis s’organise en trois sections, correspondant chacune à un type de catalyse chimique : thermocatalyse de conversion de petites molécules – avec un rappel sur les procédés historiques en cours d’adaptation aux nouveaux intrants tels que le CO ₂ –, thermocatalyse de conversion de grosses molécules et mélanges complexes que sont la biomasse et les déchets, et électrocatalyse appliquée à la valorisation des molécules précédentes ainsi qu’à la production et au stockage d’électricité. Des encadrés mettent l’accent sur plusieurs aspects, dont les implications industrielles et environnementales.