La catalyse zéolitique réduit considérablement les besoins en température et en énergie d'une étape clé du processus chimique de production de biocarburant à partir de déchets organiques. Dr Yue Liu, Teresa Schachtl et Daniel Melzer (fltr), membres de l'équipe du Pr Lercher au laboratoire du TUM Catalysis Research Center. Crédit :Andreas Heddergott / TUM
Du carburant à partir de déchets ? C'est possible. Mais jusqu'ici, la conversion des déchets organiques en carburant n'a pas été économiquement viable. Des températures excessivement élevées et trop d'énergie sont nécessaires. En utilisant un nouveau concept de catalyseur, Des chercheurs de l'Université technique de Munich (TUM) sont désormais parvenus à réduire considérablement les besoins en température et en énergie d'une étape clé du processus chimique. L'astuce :La réaction a lieu dans des espaces très confinés à l'intérieur des cristaux de zéolite.
De plus en plus d'électricité est produite de manière décentralisée grâce au vent, centrales hydroélectriques et solaires. « Il est donc logique de décentraliser la production chimique, également, " pense le Pr Johannes Lercher, qui dirige la chaire de chimie technique II à la TU Munich. "Théoriquement, n'importe quelle municipalité pourrait produire son propre carburant ou engrais.
À ce jour, cela n'a pas été possible car les processus chimiques nécessitent beaucoup d'énergie - plus que les sources d'énergie renouvelables locales ne peuvent en fournir. « Nous avons ainsi cherché à trouver de nouveaux procédés pour poser les bases de la production distribuée de produits chimiques, qui peut être alimenté à l'aide de sources d'énergie renouvelables, " explique le chimiste, qui est également directeur de l'American Institute for Integrated Catalysis au Pacific Northwest National Laboratory.
Son équipe a désormais rempli une condition préalable à un redressement de la production chimique :en laboratoire, les scientifiques ont démontré que la température requise pour la séparation des liaisons carbone-oxygène dans une solution aqueuse acide peut être considérablement réduite à l'aide de cristaux de zéolite. Le processus s'est également déroulé beaucoup plus rapidement que sans les catalyseurs à base de zéolite.
La nature comme modèle
La nature a fourni la référence pour le développement du nouveau procédé. Dans les systèmes biologiques, les enzymes avec de petites poches à leur surface accélèrent les processus chimiques.
"Nous avons réfléchi à la manière dont nous pourrions appliquer ces fonctions biologiques à la chimie organique, " explique Lercher. " Tout en recherchant des catalyseurs appropriés qui accélèrent la réaction, nous sommes tombés sur des zéolites - des cristaux avec de petites cavités dans lesquelles les réactions ont lieu dans des conditions exiguës comparables à celles des poches d'enzymes."
La zéolite HBEA 150 réduit considérablement les besoins en température et en énergie d'une étape clé du processus chimique, des déchets organiques aux carburants. Crédit :Andreas Heddergott / TUM
Ions hydronium acculés
Mais, les quartiers exigus augmentent-ils vraiment la réactivité ? Pour répondre à cette question, L'équipe de Lercher a comparé les réactions des composés carbonés avec les acides dans un bécher aux mêmes réactions dans les zéolites. Le résultat :Dans les cavités cristallines, où les molécules réagissantes, par exemple les alcools, se rencontrent sur les ions hydronium des acides, les réactions sont jusqu'à 100 fois plus rapides et à des températures légèrement supérieures à 100 °C.
"Nos expériences démontrent que les zéolites en tant que catalyseurs sont tout aussi efficaces que les enzymes :les deux réduisent considérablement les niveaux d'énergie requis par les réactions, " rapporte Lercher. " Plus la cavité est petite, plus l'effet catalytique est important. Nous avons obtenu les meilleurs résultats avec des diamètres bien inférieurs au nanomètre."
Geckos, cire et zéolites
Mais pourquoi les espaces restreints favorisent-ils la réactivité des molécules ? "La force qui améliore le chemin de réaction est la même que celle qui fait que la cire adhère à une table et qui permet aux geckos de marcher sur les plafonds, " répond Lercher. " Plus il y a de points de contact entre deux surfaces, plus l'adhérence est grande. Dans nos expériences, les molécules organiques, qui sont en solution aqueuse, sont littéralement attirés par les pores des zéolites."
Ainsi, les ions hydronium à l'intérieur des cavités ont une probabilité significativement plus grande de se heurter à un partenaire de réaction que ceux à l'extérieur. Le résultat est une réaction chimique catalysée par un acide qui se déroule plus rapidement et avec un apport énergétique moindre.
Des ordures au carburant
Lorsqu'ils entrent en contact avec des ions hydronium, les molécules organiques telles que les alcools perdent de l'oxygène. Cela rend le processus adapté à la conversion de la bio-huile obtenue à partir de déchets organiques en carburant.
Cela prendra du temps, bien sûr, avant que le nouveau procédé ne puisse être déployé sur le terrain. « Nous travaillons toujours sur les fondamentaux, " souligne Lercher. " Nous espérons les utiliser pour créer les conditions nécessaires à de nouvelles, processus de production chimique décentralisés qui ne nécessitent plus d'installations à grande échelle."
