Un matériau filtrant innovant pourrait bientôt réduire le coût environnemental de la fabrication du plastique. Créé par une équipe comprenant des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), l'avancée peut extraire l'ingrédient clé de la forme la plus courante de plastique à partir d'un mélange d'autres produits chimiques, tout en consommant beaucoup moins d'énergie que d'habitude.

Le matériau est une charpente métallo-organique (MOF), une classe de substances qui ont démontré à maintes reprises un talent pour séparer les hydrocarbures individuels de la soupe de molécules organiques produites par les processus de raffinage du pétrole. Les MOF ont une valeur immense pour les industries du plastique et du pétrole en raison de cette capacité, ce qui pourrait permettre aux fabricants d'effectuer ces séparations à un prix beaucoup plus bas que les techniques standard de raffinage du pétrole.

Cette promesse a fait des MOF l'objet d'études intenses au NIST et ailleurs, conduisant à des MOF qui peuvent séparer différents octanes de l'essence et accélérer des réactions chimiques complexes. Un objectif majeur s'est avéré insaisissable, cependant:une méthode industriellement préférée pour essorer l'éthylène - la molécule nécessaire pour créer le polyéthylène, le plastique utilisé pour fabriquer des sacs à provisions et autres contenants de tous les jours.

Cependant, dans le numéro d'aujourd'hui de la revue Science , l'équipe de recherche révèle qu'une modification d'un MOF bien étudié lui permet de séparer l'éthylène purifié d'un mélange avec de l'éthane. La création de l'équipe - construite à l'Université du Texas à San Antonio (UTSA) et à l'Université de technologie de Taiyuan en Chine et étudiée au NIST Center for Neutron Research (NCNR) - représente une avancée majeure pour le domaine.

Faire du plastique demande beaucoup d'énergie. Polyéthylène, le type de plastique le plus courant, est construit en éthylène, l'une des nombreuses molécules d'hydrocarbures présentes dans le raffinage du pétrole brut. L'éthylène doit être hautement purifié pour que le processus de fabrication fonctionne, mais la technologie industrielle actuelle pour séparer l'éthylène de tous les autres hydrocarbures est un processus froid mais à haute énergie qui refroidit le brut à plus de 100 degrés en dessous de zéro Celsius.

L'éthylène et l'éthane constituent la majeure partie des hydrocarbures du mélange, et séparer ces deux est de loin l'étape la plus énergivore. Trouver une méthode alternative de séparation permettrait de réduire l'énergie nécessaire pour fabriquer les 170 millions de tonnes d'éthylène fabriquées dans le monde chaque année.

Les scientifiques recherchent une telle méthode alternative depuis des années, et les MOF semblent prometteurs. Au niveau microscopique, ils ressemblent un peu à un gratte-ciel à moitié construit de poutres et sans murs. Les poutres ont des surfaces auxquelles certaines molécules d'hydrocarbures vont adhérer fermement, Ainsi, verser un mélange de deux hydrocarbures à travers le bon MOF peut extraire un type de molécule du mélange, laisser émerger l'autre hydrocarbure sous forme pure.

L'astuce consiste à créer un MOF qui laisse passer l'éthylène. Pour la plasturgie, cela a été le point d'achoppement.

"C'est très difficile à faire, " dit Wei Zhou, scientifique au NCNR. "La plupart des MOF qui ont été étudiés s'accrochent à l'éthylène plutôt qu'à l'éthane. Quelques-uns d'entre eux ont même démontré une excellente séparation

performance, en adsorbant sélectivement l'éthylène. Mais d'un point de vue industriel, vous préféreriez faire le contraire si possible. Vous voulez adsorber le sous-produit d'éthane et laisser passer l'éthylène."

L'équipe de recherche a passé des années à essayer de résoudre le problème. En 2012, une autre équipe de recherche qui a travaillé au NCNR a découvert qu'un cadre particulier appelé MOF-74 était bon pour séparer une variété d'hydrocarbures, y compris l'éthylène. Cela semblait être un bon point de départ, et les membres de l'équipe ont parcouru la littérature scientifique à la recherche d'inspiration supplémentaire. Une idée tirée de la biochimie les a finalement envoyés dans la bonne direction.

"Un énorme sujet en chimie est de trouver des moyens de briser la forte liaison qui se forme entre le carbone et l'hydrogène, " a déclaré le professeur de l'UTSA Banglin Chen, qui dirigeait l'équipe. "Cela vous permet de créer beaucoup de nouveaux matériaux précieux. Nous avons trouvé des recherches antérieures qui ont montré que les composés contenant du peroxyde de fer pouvaient rompre cette liaison."

L'équipe a estimé que pour rompre la liaison dans une molécule d'hydrocarbure, le composé devrait attirer la molécule en premier lieu. Quand ils ont modifié les murs du MOF-74 pour contenir une structure similaire au composé, il s'est avéré que la molécule qu'il a attirée de leur mélange était de l'éthane.

L'équipe a amené le MOF au NCNR pour explorer sa structure atomique. En utilisant une technique appelée diffraction des neutrons, ils ont déterminé quelle partie de la surface du MOF attire l'éthane, une information clé pour expliquer pourquoi leur innovation a réussi là où d'autres efforts ont échoué.

"Sans la compréhension fondamentale du mécanisme, personne ne croirait nos résultats, " a dit Chen. " Nous pensons aussi que nous pouvons essayer d'ajouter d'autres petits groupes à la surface, peut-être faire d'autres choses. C'est une toute nouvelle direction de recherche et nous sommes très enthousiastes."

Alors que Zhou a déclaré que le MOF modifié de l'équipe fonctionne efficacement, cela peut nécessiter un développement supplémentaire pour voir l'action dans une raffinerie.

"Nous avons prouvé que cette voie est prometteuse, " Zhou a dit, "Mais nous ne prétendons pas que nos matériaux fonctionnent si bien qu'ils ne peuvent pas être améliorés. Notre objectif futur est d'augmenter considérablement leur sélectivité. Cela vaut la peine d'aller plus loin."