Un procédé inspiré de la photosynthèse pour fabriquer des produits chimiques de base
La nouvelle stratégie est moins coûteuse et moins énergivore que les procédés industriels actuels.
Des chimistes de la Northwestern University se sont inspirés des plantes pour révolutionner le mode de fabrication d'un important produit chimique industriel.
Une catalyse alimentée par la lumière et l'eau produit de l'éthylène de qualité polymère.
Northwestern University
Dans une première dans le domaine, l'équipe de Northwestern a utilisé la lumière et l'eau pour convertir l'acétylène en éthylène, un produit chimique très répandu et très précieux qui est un ingrédient clé des plastiques.
Alors que cette conversion nécessite généralement des températures et des pressions élevées, de l'hydrogène inflammable et des métaux coûteux pour déclencher la réaction, le processus de Northwestern, qui s'apparente à la photosynthèse, est beaucoup moins coûteux et moins gourmand en énergie. Non seulement le nouveau procédé est respectueux de l'environnement, mais il fonctionne aussi incroyablement bien - il réussit à convertir près de 100 % de l'acétylène en éthylène.
"Dans l'industrie, cette méthode nécessite des processus à forte intensité énergétique qui requièrent des températures élevées, une alimentation externe en gaz hydrogène inflammable et des matériaux contenant des métaux nobles, qui sont chers et difficiles à obtenir", a déclaré Francesca Arcudi, de Northwestern, co-auteur principal de l'étude. "Notre nouvelle stratégie résout tous ces problèmes à la fois. Elle fonctionne en utilisant la lumière et l'eau au lieu des hautes températures et de l'hydrogène. Et au lieu de métaux coûteux, nous utilisons des matériaux naturellement abondants et peu coûteux."
La stratégie qui en résulte fonctionne étonnamment bien. Alors que le procédé industriel actuel donne une sélectivité de 90 % pour l'éthylène, l'approche de Northwestern a une sélectivité de 99 % pour l'éthylène.
"C'est important parce que c'est un produit chimique de base avec une valeur économique élevée", a déclaré Luka Ðorđević de Northwestern, coauteur principal de l'étude. "Plus vous pouvez produire sans déchets, mieux c'est".
L'étude sera publiée jeudi (9 juin) dans la revue Nature Chemistry. Il s'agit du premier rapport de chercheurs utilisant la lumière pour convertir l'acétylène en éthylène.
Cet article est le fruit d'une collaboration entre Emily Weiss et Samuel I. Stupp et de leurs efforts conjoints dans le cadre du Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) de Northwestern. Weiss, professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, est l'auteur correspondant de l'article. Arcudi est un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Weiss. Ðorđević est un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Stupp. Stupp est le professeur du conseil d'administration de la science et du génie des matériaux, de la chimie, de la médecine et du génie biomédical à Northwestern, avec des nominations au Weinberg College, à la McCormick School of Engineering et à la Northwestern University Feinberg School of Medicine.
"Au CBES, nous nous efforçons de relever des défis fondamentaux en nous inspirant de la nature", a déclaré M. Stupp, directeur du CBES. "La vitamine B12, l'un des rares cofacteurs organométalliques naturels, a été utilisée dans cet article comme source d'inspiration pour concevoir notre catalyseur."
En tant que précurseur de 50 à 60 % de toutes les matières plastiques du monde, l'éthylène est une denrée très prisée. Afin de répondre à la demande sans cesse croissante de ce produit chimique précieux, l'industrie produit plus de 200 millions de tonnes d'éthylène par an.
Pour produire de l'éthylène, les chimistes utilisent le vapocraquage, une méthode industrielle qui utilise de la vapeur chaude pour décomposer l'éthane en molécules plus petites, qui sont ensuite distillées en éthylène. Mais le produit chimique obtenu contient une petite quantité d'acétylène, un contaminant qui désactive les catalyseurs et empêche l'éthylène de se transformer correctement en plastique. Avant de pouvoir transformer l'éthylène en plastique, l'acétylène doit être éliminé ou converti en éthylène.
"L'élimination ou la conversion de l'acétylène afin d'obtenir de l'éthylène pur est un processus bien connu dans l'industrie", a déclaré Weiss. "Ce procédé présente de nombreux problèmes, c'est pourquoi la communauté scientifique a essayé de proposer une alternative à ce procédé. La production d'éthylène de qualité polymère à partir de la charge de dioxyde de carbone est une alternative souhaitable, mais cette voie n'est pas encore assez développée. Notre stratégie est une première étape majeure vers la production de cet important produit chimique de base avec l'empreinte énergétique la plus faible possible."
En particulier, une quantité incroyable d'énergie est nécessaire pour atteindre les hautes températures et pressions requises pour une réaction chimique réussie. Il faut également des catalyseurs coûteux fabriqués à partir de métaux nobles, comme le palladium. Et comme le processus repose sur les protons de l'hydrogène, qui est produit à partir de combustibles fossiles, il génère de grandes quantités de dioxyde de carbone.
La stratégie de Northwestern contourne tous ces problèmes. Pour convertir l'acétylène en éthylène, les chimistes de Northwestern ont remplacé le catalyseur au palladium par du cobalt, une alternative moins coûteuse et plus abondante. Ils ont également utilisé la température ambiante et la pression ambiante. À la place de la chaleur, ils ont utilisé la lumière visible. Et, enfin, ils ont remplacé l'hydrogène par de l'eau ordinaire comme source de protons.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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