Des chimistes de l’université Northwestern ont découvert une nouvelle façon de transformer le gaz naturel en carburant liquide — et c’est une véritable révolution.

En exploitant de minuscules impulsions de plasma – ou mini-éclairs – dans des tubes de verre immergés dans l’eau, l’équipe est parvenue à convertir directement le méthane en méthanol en une seule étape. Le méthanol est un produit chimique industriel polyvalent et très demandé, utilisé dans la fabrication de nombreux produits du quotidien. Il est également couramment utilisé comme solvant industriel et suscite un intérêt croissant en tant que combustible plus propre pour les navires et les chaudières industrielles.

Cette méthode s’affranchit des températures extrêmes et des hautes pressions requises par les procédés industriels actuels, qui consistent à décomposer le méthane en méthanol au cours d’un processus en plusieurs étapes. Bien que fiable, la méthode actuelle est énergivore et génère des millions de tonnes de dioxyde de carbone par an à l’échelle mondiale. 

Ce nouveau procédé, utilisant uniquement de l’électricité, de l’eau et un catalyseur d’oxyde de cuivre, pourrait offrir une voie plus propre et électrifiée pour produire l’un des éléments de base chimiques les plus utilisés au monde. L’ étude a été publiée dans le Journal of the American Chemical Society.

« Nous utilisons des impulsions d’électricité à haute tension », explique Dayne Swearer , de l’université Northwestern , auteur principal de l’étude. « Si le potentiel électrique est suffisamment élevé, des décharges électriques se produisent à l’intérieur de notre réacteur, comme lors d’un orage d’été. Nous exploitons ce phénomène chimique pour rompre les liaisons du méthane sans surchauffer l’ensemble du système à des températures extrêmes. »

Swearer est professeur adjoint de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de l’Université Northwestern et de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de la même université . Il est également membre de l’ Institut international de nanotechnologie , de l’Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l’énergie et de l’ Institut Northwestern-Argonne pour l’excellence scientifique et technique.

Démolition et reconstruction

Le méthanol, un des produits chimiques de base les plus utilisés au monde, est un ingrédient essentiel des plastiques, des peintures et des adhésifs. Plus récemment, des chercheurs ont exploré le méthanol comme carburant liquide prometteur, car sa combustion produit moins d’émissions de soufre et de particules polluantes que l’essence et le diesel.

Actuellement, l’industrie produit du méthanol par un procédé en plusieurs étapes, débutant par le reformage à la vapeur. Le méthane réagit d’abord avec de la vapeur d’eau à des températures supérieures à 800 degrés Celsius pour le décomposer en monoxyde de carbone et en hydrogène. Ces gaz sont ensuite recombinés sous des pressions extrêmement élevées — 200 à 300 fois la pression atmosphérique normale — pour former du méthanol. Cette décomposition et cette recombinaison du méthane consomment une quantité considérable de chaleur et génèrent inévitablement du dioxyde de carbone.

« Ces températures extrêmes sont nécessaires pour rompre les liaisons chimiques inertes entre le carbone et l’hydrogène du méthane », explique Swearer. « Ensuite, il faut utiliser une pression élevée pour concentrer toutes ces molécules sur le catalyseur afin de former la molécule de méthanol. Cela fonctionne, mais ce n’est pas la méthode la plus directe pour produire du méthanol à partir du méthane. »

Remplacer la chaleur par du plasma

Bien que les chercheurs s’efforcent depuis longtemps de trouver une solution plus économe en énergie et en une seule étape, ils se heurtent à deux difficultés majeures. Le méthane est exceptionnellement stable et difficile à décomposer, ce qui exige des conditions de réaction extrêmes. De plus, une fois formé, le méthanol continue de réagir et se dégrade rapidement en dioxyde de carbone. Le défi consiste donc non seulement à amorcer la réaction, mais aussi à l’arrêter au moment précis.

Pour surmonter ces difficultés, Swearer et son équipe se sont tournés vers le plasma, un état de la matière extrêmement énergétique, rempli d’électrons « chauds » se déplaçant à grande vitesse. Le plasma est souvent associé aux constituants du soleil ou des éclairs. Ce sont des exemples de plasmas chauds. L’équipe de Swearer travaille principalement avec des plasmas froids, dans lesquels la température des molécules de gaz est proche de la température ambiante, mais où les électrons sont chauffés de manière sélective à des températures pouvant dépasser plusieurs dizaines de milliers de degrés.

« Plus de 99 % de l’univers observable est composé de plasma », explique James Ho, doctorant au sein du laboratoire de Swearer et premier auteur de l’étude. « Malgré son omniprésence, le plasma représente une ressource encore largement inexploitée en chimie. Nous utilisons les plasmas froids car nous pouvons les produire à basse température et dans des conditions de pression atmosphérique normale. »

Pour ce nouveau procédé en une seule étape, Ho a conçu un « réacteur à bulles » à plasma, constitué d’un tube de verre poreux recouvert d’un catalyseur d’oxyde de cuivre. L’équipe a ensuite fait circuler du méthane dans ce tube tout en y appliquant des impulsions électriques. L’électricité a transformé le méthane en plasma, décomposant le méthane et l’eau en fragments hautement réactifs.

Ces fragments se sont alors recombinés pour former du méthanol, qui s’est instantanément dissous dans l’eau environnante. Cette « trempe » rapide a stoppé la réaction chimique au moment opportun, empêchant ainsi la décomposition du méthane en dioxyde de carbone.

Amélioration à l’argon

Pour optimiser le procédé, l’équipe a dilué le méthane avec de l’argon, un gaz rare généralement inerte. Mais après ionisation de l’argon dans le plasma, les chimistes ont découvert qu’il devenait un participant actif et réactif au processus chimique, augmentant la densité électronique au sein du plasma et réduisant les sous-produits indésirables.

Dans des conditions optimisées en présence d’argon, le système a présenté une sélectivité de 96,8 % pour le méthanol dans le mélange liquide. Autrement dit, parmi tous les produits liquides formés au cours du procédé, le méthanol était majoritaire. De plus, parmi tous les produits formés (gazeux et liquides), environ 57 % étaient du méthanol.

« Nous avons également obtenu de l’éthylène, précurseur de la production de plastique, et de l’hydrogène, un produit chimique de base important et un carburant décarboné à part entière », a déclaré Swearer. « Nous avons donc transformé du méthane, un gaz très abondant, en méthanol, ainsi qu’en éthylène, en hydrogène et en un peu de propane. Ce sont tous des produits intrinsèquement plus précieux. »

Vers des systèmes distribués plus petits

Si ce système était déployé à plus grande échelle, il pourrait permettre la création d’installations plus petites et distribuées utilisant l’électricité pour convertir le méthane en carburants liquides.

« Nous pourrions exploiter les ressources non exploitées, comme les têtes de puits défectueuses qui émettent naturellement du méthane dans l’environnement », a déclaré Swearer. « Actuellement, pour gérer les fuites de méthane, on le brûle afin de le transformer en dioxyde de carbone, qui contribue moins au réchauffement climatique que le méthane, mais qui reste un problème majeur. Nous pourrions plutôt installer un réacteur de plus petite taille sur le site de la fuite et transformer le méthane en un carburant liquide transportable. »

Ensuite, Swearer et son équipe prévoient d’optimiser davantage le système et d’explorer des moyens de récupérer et de séparer efficacement le méthanol sous forme de produit purifié.

https://news.northwestern.edu/stories/2026/4/bottled-lightning-makes-a-cleaner-fuel