Caoutchouc synthétique et plastiques - utilisés pour la fabrication de pneus, jouets et une myriade d'autres produits - sont fabriqués à partir de butadiène, une molécule traditionnellement fabriquée à partir de pétrole ou de gaz naturel. Mais ces matériaux synthétiques pourraient bientôt devenir beaucoup plus écologiques, grâce à l'ingéniosité d'une équipe de scientifiques de trois universités de recherche américaines.

L'équipe scientifique de l'Université du Delaware, l'Université du Minnesota et l'Université du Massachusetts - a inventé un procédé pour fabriquer du butadiène à partir de sources renouvelables comme les arbres, graminées et maïs.

Les résultats, maintenant en ligne, sera publié dans la revue American Chemical Society ACS Chimie et Ingénierie Durables , une revue de premier plan en chimie verte et en ingénierie. Les auteurs de l'étude sont tous affiliés au Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) basé à l'Université du Delaware. CCEI est un centre de recherche Energy Frontier financé par le département américain de l'Énergie.

"Notre équipe a combiné un catalyseur que nous avons récemment découvert avec une chimie nouvelle et passionnante pour trouver le premier à haut rendement, méthode à faible coût de fabrication du butadiène, " déclare Dionisios Vlachos, directeur du CCEI, le professeur Allan et Myra Ferguson de génie chimique et biomoléculaire à l'UD et co-auteur de l'étude. "Cette recherche pourrait transformer les industries du plastique et du caoutchouc de plusieurs milliards de dollars."

Le butadiène est le principal composant chimique d'un large éventail de matériaux que l'on trouve dans toute la société. Lorsque cette molécule à quatre carbones subit une réaction chimique pour former de longues chaînes appelées polymères, du caoutchouc styrène-butadiène (SBR) est formé, qui est utilisé pour fabriquer des pneus automobiles résistants à l'abrasion. Lorsqu'il est mélangé pour fabriquer du caoutchouc nitrile butadiène (NBR), il devient le composant clé des tuyaux, les phoques et les gants en caoutchouc omniprésents dans les milieux médicaux.

Dans le monde des plastiques, le butadiène est le principal composant chimique de l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), un plastique dur qui peut être moulé dans des formes rigides. Le plastique ABS résistant est utilisé pour fabriquer des consoles de jeux vidéo, pièces automobiles, articles de sport, dispositifs médicaux et briques jouets en plastique à emboîtement, entre autres produits.

Les 10 dernières années ont vu une évolution vers une recherche universitaire axée sur les produits chimiques renouvelables et le butadiène, en particulier, en raison de son importance dans les produits commerciaux, dit Vlachos.

"Le succès de notre équipe est venu de notre philosophie qui relie la recherche de nouveaux matériaux catalytiques à une nouvelle approche de la chimie, " dit Vlachos. "C'est un excellent exemple où l'équipe de recherche était plus grande que la somme de ses parties."

Nouvelle chimie en trois étapes

La nouvelle chimie comprenait un processus en trois étapes à partir de sucres dérivés de la biomasse. En utilisant la technologie développée au sein de CCEI, l'équipe a converti les sucres en un composé cyclique appelé furfural. Dans la deuxième étape, l'équipe a ensuite transformé le furfural en un autre composé cyclique appelé tétrahydrofurane (THF).

C'est au cours de la troisième étape que l'équipe a découvert la technologie révolutionnaire de fabrication de produits chimiques. À l'aide d'un nouveau catalyseur appelé « zéolite phosphoreuse tout-silice, " développé au sein du centre, l'équipe a pu convertir le THF en butadiène avec un rendement élevé (supérieur à 95 %).

L'équipe a appelé ce nouveau, réaction sélective "déshydra-décyclisation" pour représenter sa capacité à éliminer simultanément l'eau et les composés du cycle d'ouverture à la fois.

"Nous avons découvert que les catalyseurs à base de phosphore supportés par la silice et les zéolites présentent une sélectivité élevée pour la fabrication de produits chimiques comme le butadiène, " explique le professeur Wei Fan de l'Université du Massachusetts à Amherst. " En comparant leur capacité à contrôler certaines utilisations de la chimie industrielle avec celle d'autres catalyseurs, les matériaux phosphorés semblent vraiment uniques et complètent bien l'ensemble de catalyseurs que nous avons développé au CCEI."

L'invention du caoutchouc renouvelable fait partie de la mission plus large de CCEI. Initié en 2009, CCEI s'est concentré sur la technologie catalytique transformationnelle pour produire des produits chimiques renouvelables et des biocarburants à partir de sources naturelles de biomasse.

"Cette nouvelle technologie élargit considérablement la liste des molécules que nous pouvons fabriquer à partir de la lignocellulose, " déclare le professeur Paul Dauenhauer de l'Université du Minnesota, qui est codirecteur du CCEI et co-auteur de l'étude.