À la recherche du Saint-Graal

Frédéric-Georges Fontaine, professeur de chimie à l’Université Laval et membre du Centre de recherche en catalyse et chimie verte (C3V), travaille présentement avec son équipe à mettre au point un procédé chimique qui permettrait de transformer le CO2 en méthanol, un alcool combustible qui pourrait servir, entre autres, comme carburant.
Photo: IStock Frédéric-Georges Fontaine, professeur de chimie à l’Université Laval et membre du Centre de recherche en catalyse et chimie verte (C3V), travaille présentement avec son équipe à mettre au point un procédé chimique qui permettrait de transformer le CO2 en méthanol, un alcool combustible qui pourrait servir, entre autres, comme carburant.

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Ce n’est pas le dioxyde de carbone (CO2) qui manque dans l’atmosphère terrestre. L’activité humaine en produit tellement que ce gaz menace sérieusement l’équilibre climatique de la planète. Mis à part en réduire l’émission, y a-t-il autre chose à faire avec le CO2 rejeté dans l’atmosphère ?

 

Frédéric-Georges Fontaine, professeur de chimie à l’Université Laval et membre du Centre de recherche en catalyse et chimie verte (C3V), croit que oui. Il travaille présentement avec son équipe à mettre au point un procédé chimique qui permettrait de transformer le CO2 en méthanol (CH3OH), un alcool combustible qui pourrait servir, entre autres, comme carburant.

 

« En puisant le CO2 directement à la source, c’est-à-dire à partir de celui émis dans l’atmosphère, et en le transformant en méthanol, on viendrait en quelque sorte boucler la boucle, explique-t-il. Le carbone émis pas la combustion du méthanol ne serait pas un nouveau carbone mais un carbone recyclé. De plus, le méthanol ainsi produit serait un carburant qui n’aurait pas été élaboré à partir d’une source d’énergie fossile. »

 

Mais pour ce faire, il faut d’abord une source d’hydrogène, et à cet égard, le Québec est particulièrement bien placé. « Nous avons au Québec la possibilité de produire de l’électricité en grande quantité et à faible coût, et ce, de façon verte grâce à l’hydroélectricité. Il suffirait de se servir de cette électricité pour produire de l’hydrogène par l’électrolyse de l’eau. »

 

Le second élément nécessaire est le CO2. « Évidemment, il n’est pas envisageable de capter le CO2 qui se trouve à l’air libre, comme celui émis par les automobiles, et c’est la raison pour laquelle nous croyons que la source la plus exploitable est celle des grands émetteurs. Nous collaborons avec une entreprise, CO2 Solutions, qui a développé une technologie capable de capter le CO2 émis par les cheminées des grands émetteurs. »

 

Un procédé chimique vert

 

Il se produit bon an mal an une importante quantité de méthanol en utilisant des procédés chimiques industriels, généralement à partir d’une source d’hydrocarbure fossile, dont notamment le gaz naturel, qui contient du méthane. Chimie verte oblige, le procédé chimique mis au point par Frédéric-Georges Fontaine s’éloigne des procédés traditionnels et industriels. Il s’agit d’élaborer un procédé chimique capable de combiner la molécule de CO2 à une molécule d’hydrogène (H2) et de les remodeler en une molécule de méthanol (CH3OH).

 

Pour ce faire, le procédé chimique doit utiliser un catalyseur afin de provoquer la réaction chimique désirée. Une bonne partie de la recherche porte donc sur l’élaboration de ces catalyseurs. Le professeur Fontaine et son équipe en ont développé deux, le borane, composé de bore, de carbone et d’hydrogène, et la phosphine, composée de phosphore, de carbone et d’hydrogène. L’apport en hydrogène est fourni par un autre composé, l’hydroborane (BH3). Au final, le procédé chimique doit accomplir trois choses : produire une molécule de méthanol facilement détachable du catalyseur, faire en sorte que le catalyseur soit réutilisable et produire le moins de déchets possible.

 

« Nous sommes ici dans le domaine de la recherche fondamentale et encore loin d’un procédé de nature industrielle, mais nos résultats sont très encourageants. Nous avons parcouru environ 90 % du chemin. Nous sommes capables de produire du méthanol, mais éprouvons encore une petite difficulté à le détacher du catalyseur. De plus, la synthèse de l’hydroborane est trop coûteuse et fait que le procédé chimique n’est pas encore rentable. Il nous reste donc du peaufinage à faire. »

 

De nouveaux catalyseurs

 

Les deux catalyseurs développés par le professeur Fontaine et son équipe ont ceci de particulier qu’ils ne sont pas élaborés à partir de métaux, le bore et le phosphore n’étant pas des métaux. Ceci est contraire à la pratique généralisée en chimie industrielle où la majorité des catalyseurs contiennent des métaux. C’est particulièrement vrai pour les catalyseurs utilisés dans les procédés chimiques où l’on trouve une liaison carbone-hydrogène, réputée solide et peu manipulable. Pour y arriver, la chimie a développé un arsenal de catalyseurs à base de métaux. « Mais les métaux sont toxiques, et si cette toxicité peut être tolérable dans certains procédés chimiques, elle ne l’est pas du tout dans d’autres. Je pense notamment à l’industrie pharmaceutique où les molécules d’un médicament ne peuvent pas être accompagnées de traces de métaux. L’industrie pharmaceutique doit donc purifier ses composés chimiques, ce qui est très coûteux. L’utilisation de catalyseurs sans métaux réglerait ce problème. »

 

Mais comment s’assurer que les catalyseurs sans métaux sont aussi efficaces que ceux avec métaux ? Frédéric-Georges Fontaine croit avoir trouvé une piste du côté de la paire de Lewis. La paire de Lewis est une liaison entre un acide et une base, les deux molécules en présence l’une de l’autre voulant à tout prix échanger des électrons. Le professeur Fontaine a eu l’idée d’introduire une barrière d’atomes entre ces deux molécules d’acide et de base, cette barrière empêchant les deux molécules de réaliser leur liaison. On parle donc ici de paire de Lewis frustrée. « Ces deux molécules de la paire de Lewis veulent tellement réaliser leur liaison qu’elles en deviennent frustrées et cette frustration les rend particulièrement réactives, capables ensuite de servir de catalyseurs. Nos recherches en laboratoire avec des composés à partir d’azote ou de bore ont démontré l’efficacité du procédé. C’est une piste prometteuse pour la chimie verte dans son désir d’éliminer le plus possible les métaux des procédés chimiques. »