Vers une alternative plus durable de la transformation du méthane en hydrogène et hydrocarbures grâce à une transition de phase électronique dans le dioxyde de vanadium

Optimiser l’efficacité des photocatalyseurs constitue un enjeu clé pour la conversion du méthane. Elle repose sur l’absorption lumineuse et le transport des charges photo-induites vers la surface des photocatlyseurs. Des chercheurs viennent de montrer que le dioxyde de vanadium VO₂, qui change d’état électronique à 68 °C, facilite considérablement le transfert de ces charges pour réagir avec le méthane lors de cette transition. Des films minces de VO₂ permettent ainsi une conversion photocatalytique record du méthane en dihydrogène, éthane et propane. En réduisant leur épaisseur, la réaction conduit à un seul hydrocarbure, le propane, offrant une méthode plus durable que les procédés industriels actuels.

Le méthane est un gaz très abondant mais difficile à transformer, car il réagit peu. Pour y parvenir, les chercheurs utilisent des photocatalyseurs, matériaux qui absorbent l’énergie lumineuse et l’exploitent ensuite pour produire une réaction chimique. Mais une grande partie de cette énergie se dissipe rapidement, ce qui rend inefficace l’activation du méthane à la surface des photocatalyseurs.
Une équipe de scientifiques(1) a montré qu’un composé, l’oxyde de vanadium VO₂, possède une propriété idéale pour contourner ce problème.
À 68 °C, le VO₂ change brutalement d’état : il passe d’isolant à métallique. Pendant cette transition, les deux états coexistent en s’entremêlant à l’échelle nanométrique. Les nombreuses frontières entre ces zones séparent efficacement les charges produites par la lumière. Celles-ci atteignent alors la surface du matériau en grand nombre, ce qui rend la réaction beaucoup plus efficace.
Grâce à cette transition, de minces films de VO₂ transforment le méthane en molécules utiles comme l’hydrogène, l’éthane ou le propane, avec, sous certaines conditions expérimentales, une production sélective d’un des deux hydrocarbures. La transition peut même être déclenchée électriquement à plus basse température, ouvrant la voie à des photocatalyseurs plus performants et moins énergivores.

En savoir +

(1) Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN – CNRS/Université de Lille/Junia/Centrale Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France), Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS – CNRS/Université de Lille/Centrale Lille/Université d’Artois), XLIM (CNRS/Université de Limoges) et LPEM (ESPCI/CNRS/PSL/Université Sorbonne)

Contact : bruno.grandidieruniv-lille.fr