Dans un effort pour développer des solutions durables aux besoins énergétiques de l'humanité, de nombreux scientifiques étudient la capture et l'utilisation du carbone - la pratique consistant à utiliser l'excès de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ou à partir de sources ponctuelles, au lieu de combustibles fossiles, synthétiser des produits chimiques utilisés pour fabriquer des produits du quotidien, des plastiques aux carburants en passant par les produits pharmaceutiques.

Feng Jiao, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Delaware, est un chef de file dans le domaine de la capture et de l'utilisation du carbone. Maintenant, lui et ses collègues ont fait une nouvelle découverte qui pourrait faire progresser davantage la capture et l'utilisation du carbone et étendre sa promesse à de nouvelles industries.

Dans la revue Chimie de la nature , Jiao et ses collaborateurs du California Institute of Technology, Université de Nanjing (Chine), et l'Université de Soochow (Chine) décrivent comment ils ont formé des liaisons carbone-azote dans une réaction de réduction électrochimique du monoxyde de carbone, qui a conduit à la production de produits chimiques de grande valeur appelés amides. Ces substances sont utiles dans une variété d'industries, y compris les produits pharmaceutiques.

L'équipe est la première à le faire. "Maintenant, en commençant par le dioxyde de carbone comme source de carbone, nous pouvons étendre à une variété de produits, " dit Jiao, le directeur associé du Center for Catalytic Science and Technology (CCST) de l'UD.

La science derrière ces découvertes est l'électrochimie, qui utilise l'électricité pour produire un changement chimique. Dans les efforts de recherche antérieurs, Jiao a développé un catalyseur d'argent spécial, qui transforme le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. Prochain, il voulait encore améliorer le monoxyde de carbone en produits multi-carbone utiles dans la production de carburants, pharmaceutiques et plus.

« Dans le domaine de la conversion électrochimique du dioxyde de carbone, nous étions coincés avec seulement quatre produits principaux que nous pouvons fabriquer en utilisant cette technologie :l'éthylène, éthanol, propanol, et, comme nous l'avons signalé il y a quelques mois à peine dans Catalyse naturelle , acétate, " dit Jiao.

L'azote est l'ingrédient secret pour libérer le potentiel du système. L'équipe a utilisé un réacteur à flux électrochimique qui est généralement alimenté en dioxyde de carbone ou en monoxyde de carbone, mais cette fois, ils ont mis à la fois du monoxyde de carbone et de l'ammoniac, un composé qui contient de l'azote. La source d'azote interagit avec le catalyseur au cuivre à l'interface électrode-électrolyte, conduisant à la formation de liaisons carbone-azote (CN). Ce processus a permis à l'équipe de synthétiser des produits chimiques qui n'avaient jamais été fabriqués de cette manière auparavant, y compris les amides, utilisable en synthèse pharmaceutique. De nombreux composés pharmaceutiques contiennent de l'azote, et "cela fournit en fait un moyen unique de construire de grosses molécules qui contiennent de l'azote à partir d'espèces simples de carbone et d'azote, " dit Jiao.

Lors d'une réunion de l'American Chemical Society, Jiao a partagé certaines de ses découvertes préliminaires avec William A. Goddard III, chercheur principal au Centre commun de photosynthèse artificielle de Caltech. Goddard, un expert de renommée mondiale qui utilise la mécanique quantique pour déterminer le mécanisme de réaction et les taux de tels processus électrocatalytiques, était très enthousiasmé par cette découverte inattendue et a immédiatement mis son équipe en place. Tao Cheng du laboratoire Goddard a découvert que le nouveau couplage de liaison carbone-azote était une émanation du mécanisme qui avait été déterminé pour la production d'éthylène et d'éthanol, suggérant que Jiao pourrait être en mesure de coupler des obligations autres que CN.

"Grâce à une étroite collaboration avec le Pr Goddard, nous avons beaucoup appris sur la façon dont cette liaison carbone-azote s'est formée à la surface du catalyseur, ", a déclaré Jiao. "Cela nous a donné des informations importantes sur la façon dont nous pouvons concevoir des catalyseurs encore meilleurs pour faciliter certains de ces types de réactions chimiques."

Les implications de ce travail pourraient être considérables.

« Cela a un impact significatif sur la route, Je pense, pour traiter en partie les problèmes d'émission de dioxyde de carbone, " a déclaré Jiao. " Maintenant, nous pouvons réellement l'utiliser comme matière première de carbone pour produire des produits chimiques de grande valeur. "