La plus grande source de consommation d'énergie mondiale est la fabrication industrielle de produits tels que les plastiques, fer à repasser, et acier. Non seulement la fabrication de ces matériaux nécessite d'énormes quantités d'énergie, mais de nombreuses réactions émettent également directement du dioxyde de carbone en tant que sous-produit.

Afin de contribuer à réduire cette consommation d'énergie et les émissions associées, Les ingénieurs chimistes du MIT ont mis au point une approche alternative pour synthétiser des époxydes, un type de produit chimique utilisé pour fabriquer divers produits, y compris les plastiques, médicaments, et textiles. Leur nouvelle approche, qui utilise l'électricité pour exécuter la réaction, peut être fait à température ambiante et pression atmosphérique tout en éliminant le dioxyde de carbone comme sous-produit.

"Ce que l'on ne réalise pas souvent, c'est que la consommation d'énergie industrielle est bien supérieure à celle des transports ou de l'utilisation résidentielle. C'est l'éléphant dans la pièce, et il y a eu très peu de progrès techniques pour pouvoir réduire la consommation d'énergie industrielle, " dit Karthish Manthiram, un professeur adjoint de génie chimique et l'auteur principal de la nouvelle étude.

Les chercheurs ont déposé un brevet sur leur technique, et ils travaillent maintenant sur l'amélioration de l'efficacité de la synthèse afin qu'elle puisse être adaptée à grande échelle, utilisation industrielle.

Le postdoctorant du MIT, Kyoungsuk Jin, est l'auteur principal de l'article, qui paraît en ligne le 9 avril dans le Journal de l'American Chemical Society . D'autres auteurs incluent les étudiants diplômés Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski, et Nathan Corbin, et post-doctorant Dengtao Yang.

Produits chimiques omniprésents

Epoxydes, dont la caractéristique chimique clé est un cycle à trois membres constitué d'un atome d'oxygène lié à deux atomes de carbone, sont utilisés pour fabriquer des produits aussi variés que l'antigel, détergents, et polyester.

"Il est impossible de passer même une courte période de sa vie sans toucher, sentir ou porter quelque chose qui a, à un moment donné de son histoire, impliqué un époxyde. Ils sont omniprésents, " dit Manthiram. " Ils sont dans tellement d'endroits différents, mais nous avons tendance à ne pas penser à l'énergie intégrée et à l'empreinte carbone. »

Plusieurs époxydes sont parmi les produits chimiques avec les empreintes carbone les plus élevées. La production d'un époxyde commun, oxyde d'éthylène, génère les cinquièmes émissions de dioxyde de carbone de tous les produits chimiques.

La fabrication des époxydes nécessite de nombreuses étapes chimiques, et la plupart d'entre eux sont très énergivores. Par exemple, la réaction utilisée pour attacher un atome d'oxygène à l'éthylène, produire de l'oxyde d'éthylène, doit se faire à près de 300 degrés Celsius et sous des pressions 20 fois supérieures à la pression atmosphérique. Par ailleurs, la majeure partie de l'énergie utilisée pour alimenter ce type de fabrication provient de combustibles fossiles.

En plus de l'empreinte carbone, la réaction utilisée pour produire de l'oxyde d'éthylène génère également du dioxyde de carbone comme produit secondaire, qui est rejeté dans l'atmosphère. D'autres époxydes sont fabriqués en utilisant une approche plus compliquée impliquant des peroxydes dangereux, qui peut être explosif, et de l'hydroxyde de calcium, ce qui peut provoquer une irritation de la peau.

Pour proposer une approche plus durable, l'équipe du MIT s'est inspirée d'une réaction connue sous le nom d'oxydation de l'eau, qui utilise l'électricité pour diviser l'eau en oxygène, protons, et des électrons. Ils ont décidé d'essayer d'effectuer l'oxydation de l'eau, puis d'attacher l'atome d'oxygène à un composé organique appelé oléfine, qui est un précurseur des époxydes.

C'était une approche contre-intuitive, Manthiram dit, car les oléfines et l'eau ne peuvent normalement pas réagir les unes avec les autres. Cependant, ils peuvent réagir entre eux lorsqu'une tension électrique est appliquée.

Pour en profiter, l'équipe du MIT a conçu un réacteur avec une anode où l'eau est décomposée en oxygène, ions hydrogène (protons), et des électrons. Les nanoparticules d'oxyde de manganèse agissent comme un catalyseur pour favoriser cette réaction, et incorporer l'oxygène dans une oléfine pour produire un époxyde. Les protons et les électrons se dirigent vers la cathode, où ils sont convertis en hydrogène gazeux.

Thermodynamiquement, cette réaction ne nécessite qu'environ 1 volt d'électricité, inférieure à la tension d'une pile AA standard. La réaction ne génère pas de dioxyde de carbone, et les chercheurs prévoient qu'ils pourraient réduire davantage l'empreinte carbone en utilisant de l'électricité provenant de sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne pour alimenter la conversion de l'époxyde.

Mise à l'échelle

Jusque là, les chercheurs ont montré qu'ils peuvent utiliser ce procédé pour créer un époxyde appelé oxyde de cyclooctène, et ils travaillent maintenant à l'adapter à d'autres époxydes. Ils essaient également de rendre la conversion des oléfines en époxydes plus efficace - dans cette étude, environ 30 pour cent du courant électrique est entré dans la réaction de conversion, mais ils espèrent doubler cela.

Ils estiment que leur processus, s'il est agrandi, pourrait produire de l'oxyde d'éthylène à un coût de 900 $ la tonne, contre 1 $, 500 la tonne selon les méthodes actuelles. Ce coût pourrait être encore réduit à mesure que le processus devient plus efficace. Un autre facteur qui pourrait contribuer à la viabilité économique de cette approche est qu'elle génère également de l'hydrogène en tant que sous-produit, ce qui est précieux en soi pour alimenter les piles à combustible.

Les chercheurs prévoient de continuer à développer la technologie dans l'espoir de la commercialiser éventuellement à des fins industrielles, et ils travaillent également sur l'utilisation de l'électricité pour synthétiser d'autres types de produits chimiques.

"Il existe de nombreux processus qui ont d'énormes empreintes de dioxyde de carbone, et la décarbonation peut être tirée par l'électrification, " dit Manthiram. " On peut éliminer la température, éliminer la pression, et utilisez plutôt la tension."