Un groupe international de scientifiques a percé le secret d'un catalyseur à base d'or qui est responsable d'un nouveau, procédé respectueux de l'environnement de production du chlorure de vinyle monomère (VCM) utilisé pour fabriquer le polychlorure de vinyle (PVC), le troisième plastique le plus utilisé au monde.

En utilisant des techniques de spectroscopie synchrotron et une microscopie électronique avancée, les chercheurs ont déterminé que les ions d'or isolés convertissent le plus efficacement l'acétylène, un gaz dérivé du charbon, aux molécules de VCM qui peuvent ensuite être liées pour former du PVC.

Leur découverte intervient au milieu des efforts visant à remplacer la méthode conventionnelle de conversion de l'acétylène, qui utilise un catalyseur contenant du mercure volatil et potentiellement toxique, avec un plus stable, méthode non polluante qui utilise un catalyseur d'or supporté par du carbone.

Les chercheurs, qui viennent du Royaume-Uni et des États-Unis, ont rendu compte de leurs conclusions aujourd'hui (30 mars) dans Science magazine, la première revue scientifique au monde, dans un article intitulé "Identification of single site gold catalysis in acetylene hydrochlorination".

L'auteur principal de l'article est Grazia Malta du Cardiff Catalysis Institute de l'Université de Cardiff au Royaume-Uni qui a été supervisé par Graham J. Hutchings, le directeur de l'Institut. Les participants de l'Université Lehigh à la recherche étaient Christopher J. Kiely, professeur de science des matériaux et de génie chimique et Li Lu, un doctorat candidat en science des matériaux. Kiely est également co-directeur du Cardiff Catalysis Institute.

Le groupe a examiné les catalyseurs avant et après utilisation dans le microscope électronique à transmission à balayage (STEM) JEOL JEM-ARM200CF à correction d'aberration de Lehigh, qui est l'un des instruments les plus puissants de son genre et permet l'imagerie et l'analyse chimique des matériaux au niveau atomique.

Le groupe a également réalisé des expériences de structure fine d'absorption étendue des rayons X (EXAFS) et d'absorption de rayons X près de la structure de bord (XANES) en utilisant l'installation Diamond Synchrotron au Royaume-Uni pour étudier le catalyseur dans des conditions de réaction de travail.

"Ces expériences nous ont aidés à déterminer que l'or dispersé atomiquement - où les atomes sont séparés sur le support de carbone et ne se touchent pas - est la forme idéale d'espèce catalytique pour cette réaction, " dit Kiely.

"Ils nous ont également montré qu'il faut que les atomes d'or soient ionisés, c'est-à-dire manquant certains de leurs électrons - pour que la conversion se produise."

Dirigé par C. Richard A. Catlow du Cardiff Catalysis Institute et de l'University College London, le groupe a également modélisé théoriquement la réaction en utilisant des ions d'or isolés et a confirmé les résultats expérimentaux.

"Les scientifiques savent que vous pouvez utiliser de l'or atomiquement dispersé dans des réactions catalysées homogènes réalisées en solution, " dit Kiely. " Tiens, nous avons réussi à ancrer de l'or dispersé atomiquement sur un support solide et à obtenir un effet similaire."

Kiely et Hutchings, qui collaborent depuis plusieurs décennies, rapporté dans un article du magazine Nature Communications l'année dernière que pour une autre réaction, à savoir l'oxydation à basse température du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, une entité aurifère différente – des amas ultra-petits composés de quelques atomes d'or – était l'espèce la plus active.

Les résultats de ces deux projets aideront Kiely et Hutchings à concevoir et à optimiser des systèmes de catalyseurs à base d'or pour une utilisation dans d'autres réactions importantes, comme la réaction eau-gaz-shift, qui génère de l'hydrogène.

Le PVC est devenu un élément indispensable de la vie moderne. Ses applications incluent les tuyaux de construction, cartes de crédit, cadres de fenêtres et de portes, matériel de plomberie, et l'isolation des câbles électriques.

En plus de l'hydrochloration de l'acétylène, la molécule VCM précurseur du PVC peut être fabriquée à partir d'éthylène, un sous-produit du raffinage du pétrole qui peut également être isolé du gaz naturel. Mais l'hydrochloration de l'acétylène reste la voie prédominante vers la production de PVC dans certains pays qui disposent d'abondantes réserves de charbon.

Pour convertir l'acétylène dérivé du charbon en précurseur de VCM, dit Kiely, les ingénieurs chimistes du dernier demi-siècle l'ont fait réagir avec de l'acide chlorhydrique (HCl) en présence d'un catalyseur de chlorure mercurique. Mais le catalyseur est volatil aux températures de réaction, permettant au mercure toxique de s'évaporer, s'échapper dans l'environnement et polluer les terres agricoles et les plans d'eau.

Au début des années 1980, Hutchings a montré qu'une forme plus bénigne, un catalyseur d'or supporté par du carbone pourrait être utilisé pour convertir l'acétylène en VCM. Sa découverte a attiré une certaine attention à l'époque, mais n'a pas été exploité commercialement car le catalyseur nécessitait des quantités relativement importantes d'or coûteux et n'était pas très stable.

En 2007, Johnson Matthey, une entreprise mondiale de produits chimiques de spécialité basée au Royaume-Uni, s'est intéressé aux résultats de Hutchings et a commencé à travailler pour fabriquer un catalyseur d'or sur carbone stable en utilisant moins d'or. La société a développé un catalyseur nommé Pricat MFC, qui est maintenant utilisé commercialement dans une grande usine chinoise de PVC. Chine, le plus grand producteur et consommateur mondial de PVC, dépend toujours du charbon pour produire le produit VCM.

Pendant ce temps, la Convention de Minamata 2013 sur le mercure, qui a été signé par près de 140 nations, interdit la construction de nouvelles usines de VCM utilisant du chlorure mercurique après 2017 et exige que toutes les usines de VCM soient exemptes de mercure d'ici 2022.

Les premiers travaux de Hutchings, les efforts de commercialisation de Johnson Matthey et la découverte la plus récente du fonctionnement à l'échelle atomique du catalyseur d'or supporté par du carbone, dit Kiely, donner des raisons d'espérer que les objectifs de la Convention de Minamata pourront être atteints.

Ils représentent également une réalisation presque sans précédent dans le domaine de la catalyse.

« Les scientifiques peaufinent et optimisent constamment les formulations de catalyseurs, " dit Kiely. " Mais, c'est la première fois en 50 ans que je peux me rappeler où nous avons remplacé un catalyseur standard de l'industrie utilisé dans une réaction majeure par un système catalytique entièrement différent."