Du CO2 à l'acétaldéhyde : vers une chimie industrielle plus verte
Cette avancée permet de résoudre deux problèmes environnementaux à la fois
L'acétaldéhyde est un produit chimique essentiel utilisé dans la fabrication de toutes sortes de choses, des parfums aux plastiques. Aujourd'hui, sa production repose en grande partie sur l'éthylène, un produit pétrochimique. Mais les préoccupations environnementales croissantes poussent l'industrie chimique à réduire sa dépendance à l'égard des combustibles fossiles, et les scientifiques ont donc cherché des moyens plus écologiques de produire de l'acétaldéhyde.
Cedric David Koolen montrant un exemple de cellule électrochimique utilisée dans le Laboratoire des matériaux pour les énergies renouvelables.
EPFL
Actuellement, l'acétaldéhyde est produit par le "procédé Wacker", une méthode de synthèse chimique qui utilise l'éthylène du pétrole et du gaz naturel avec d'autres produits chimiques tels que des acides forts, comme l'acide chlorhydrique. Le procédé Wacker a non seulement une empreinte carbone importante, mais il est également gourmand en ressources et n'est pas durable à long terme.
La réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2) en produits utiles constitue une solution prometteuse à ce problème. Le CO2 étant un déchet qui contribue au réchauffement de la planète, cette approche s'attaque à deux problèmes environnementaux à la fois : elle réduit les émissions de CO2 et crée des produits chimiques de valeur.
Un catalyseur innovant pour une plus grande efficacité
Les catalyseurs à base de cuivre ont montré leur potentiel pour cette transformation, mais jusqu'à présent, ils se sont heurtés à une faible sélectivité, ce qui signifie qu'ils produisent un mélange de produits plutôt que l'acétaldéhyde désiré.
Aujourd'hui, les scientifiques d'un consortium public-privé, dirigé par Cedric David Koolen dans le groupe d'Andreas Züttel à l'EPFL, Jack K. Pedersen à l'université de Copenhague et Wen Luo à l'université de Shanghai, ont mis au point un nouveau catalyseur à base de cuivre capable de convertir sélectivement le CO2 en acétaldéhyde avec une efficacité impressionnante de 92 %.
Cette avancée, publiée dans Nature Synthesis, offre un moyen plus écologique et plus durable de produire de l'acétaldéhyde et pourrait remplacer le procédé Wacker. En outre, le catalyseur est évolutif et rentable, ce qui ouvre la voie à des applications industrielles.
"Le procédé Wacker n'a pas changé au cours des 60 dernières années. Il repose toujours sur la même chimie de base. Le moment était venu de réaliser une percée écologique", déclare M. Koolen.
"Une chimie fascinante
Les chercheurs ont commencé par synthétiser de minuscules grappes de particules de cuivre, d'une taille d'environ 1,6 nanomètre chacune, à l'aide d'une méthode appelée ablation par étincelle. Cette technique consiste à vaporiser des électrodes de cuivre dans un environnement de gaz inerte, ce qui a permis aux scientifiques de contrôler précisément la taille des particules. Les grappes de cuivre ont ensuite été immobilisées sur des supports en carbone pour créer un catalyseur stable et réutilisable.
En laboratoire, l'équipe a testé les performances du catalyseur en le soumettant à une série de réactions électrochimiques avec le CO2 dans un environnement contrôlé. À l'aide d'un synchrotron - une installation à grande échelle qui génère une source de lumière très brillante - l'équipe s'est assurée que les grappes de cuivre convertissaient activement le CO2 en acétaldéhyde grâce à une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X.
Les résultats ont été remarquables. Les grappes de cuivre ont atteint une sélectivité de 92 % pour l'acétaldéhyde à une tension relativement faible, ce qui est essentiel pour l'efficacité énergétique. Lors d'un test de stress de 30 heures, le catalyseur a fait preuve d'une grande stabilité, conservant ses performances sur plusieurs cycles. Les chercheurs ont également constaté que les particules de cuivre conservaient leur nature métallique tout au long de la réaction, ce qui contribue à la longévité du catalyseur.
"Ce qui nous a vraiment surpris, c'est que le cuivre est resté métallique, même après l'élimination du potentiel et l'exposition à l'air", explique Wen Luo, coauteur principal. ". "En général, le cuivre s'oxyde comme un fou, surtout s'il est si petit. Mais dans notre cas, une coquille d'oxyde s'est formée autour de l'amas, protégeant le noyau d'une oxydation supplémentaire. C'est ce qui explique la recyclabilité du matériau. Une chimie fascinante".
Les clés du succès
Pourquoi le nouveau catalyseur a-t-il si bien fonctionné ? Les simulations informatiques ont montré que les grappes de cuivre présentent une configuration spécifique d'atomes qui permet aux molécules de CO2 de se lier et de se transformer d'une manière qui favorise la production d'acétaldéhyde par rapport à d'autres produits possibles, tels que l'éthanol ou le méthane.
"L'intérêt de notre procédé réside dans le fait qu'il peut être appliqué à n'importe quel autre système catalytique", explique Jack K. Pedersen, co-auteur principal de l'étude. "Grâce à notre cadre informatique, nous pouvons rapidement sélectionner les grappes en fonction de leurs caractéristiques prometteuses. Qu'il s'agisse de la réduction du CO2 ou de l'électrolyse de l'eau, l'ablation par étincelle nous permet de produire facilement le nouveau matériau et de le tester directement en laboratoire. C'est beaucoup plus rapide que le cycle classique essai-apprentissage-répétition".
Le nouveau catalyseur à base de cuivre constitue une étape importante vers une chimie industrielle plus écologique. S'il est mis à l'échelle, il pourrait remplacer le procédé Wacker, réduisant ainsi les besoins en produits pétrochimiques et les émissions de CO2. L'acétaldéhyde étant un élément constitutif de nombreux autres produits chimiques, cette recherche pourrait transformer de nombreuses industries, des produits pharmaceutiques à l'agriculture.
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.
Publication originale
Cedric David Koolen, Jack Kirk Pedersen, Bernardus Zijlstra, Maximilian Winzely, Jie Zhang, Tobias V. Pfeiffer, Wilbert Vrijburg, Mo Li, Ayush Agarwal, Zohreh Akbari, Yasemen Kuddusi, Juan Herranz, Olga V. Safonova, Andreas Schmidt-Ott, Wen Luo, Andreas Zuettel; "Scalable synthesis of Cu-cluster catalysts via spark ablation for the electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde"; Nature Synthesis, 2025-1-3
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