Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'ETH Zurich veulent rendre les zéolithes plus efficaces. Aujourd'hui, ces composés sont déjà des additifs indispensables dans l'industrie chimique et sont utilisés comme catalyseurs dans les raffineries de pétrole depuis les années 1960. Maintenant, dans la revue Matériaux naturels , les chercheurs préconisent de prêter plus d'attention aux zéolithes classiques. Ces, ils affirment, aurait même le potentiel de rendre possible une bioéconomie basée sur des ressources renouvelables.

Pour transformer notre économie basée sur les combustibles fossiles en une bioéconomie durable, nous devons remplacer les ressources fossiles par des matières premières renouvelables. Mais le pétrole, la matière première de nombreux produits de l'industrie chimique, ne peut pas être simplement échangé contre du bois, maïs, et de la paille, puisque les plantes sont constituées de types de molécules complètement différents de "l'or noir". Pour alimenter les automobiles et permettre la production d'une large gamme de plastiques ou de médicaments, les matières premières renouvelables doivent d'abord subir une transformation chimique. Ici, l'aide est fournie par des catalyseurs, C'est, substances qui entraînent des réactions chimiques ou les rendent possibles en premier lieu.

Des catalyseurs extrêmement prometteurs à cet effet sont les zéolithes, composés de type échafaudage en aluminium, oxygène, et silicium. Les zéolites sont présentes naturellement, par exemple sous forme de minéraux dans les formations rocheuses, ou sont produites synthétiquement. Ils font partie des catalyseurs les plus importants de l'industrie chimique. Depuis les années 1960, ils ont été utilisés dans les raffineries de pétrole pour le craquage, le processus de division de longues chaînes d'hydrocarbures en chaînes plus courtes. Ils sont également utilisés, par exemple, comme ingrédients dans les détergents, dans les procédés d'adoucissement de l'eau, et dans les systèmes de réservoir de chaleur.

Les zéolithes facilitent la transition vers une bioéconomie en permettant de transformer la biomasse en molécules dont l'industrie a désespérément besoin. Cependant :« À ce stade, la recherche sur les zéolithes est dans une impasse, " dit Vitaly Sushkevich, scientifique au Laboratoire de catalyse et de chimie durable du PSI. Avec des collègues du PSI et de l'ETH Zurich, il veut sortir la recherche sur la zéolite de cette impasse.

Tout l'aluminium n'est pas le même

Le problème :Développer des catalyseurs pour la bioéconomie, des chercheurs du monde entier travaillent sur des zéolites qui contiennent également de l'étain, titane, ou des atomes de zirconium. Cependant, leurs performances ne peuvent plus être augmentées. C'est pourquoi l'équipe de Sushkevich recommande de revenir aux zéolithes classiques, qui ne sont composés que de silicium, aluminium, et de l'oxygène. « Ce sont des catalyseurs très efficaces, " dit Sushkevich. " La particularité est qu'ils peuvent être modifiés et adaptés selon les besoins à des fins spécifiques. On peut même catalyser plusieurs réactions chimiques l'une après l'autre." Dans ce cas, le produit souhaité D est commodément créé à partir du matériau de départ A par les étapes intermédiaires B et C.

Les atomes d'aluminium sont un élément important de ces zéolites. Initialement, ceux-ci sont solidement ancrés dans l'échafaudage de zéolite. Par le chauffage et d'autres astuces, ils peuvent être libérés de ce composé et ainsi mis en mesure de catalyser des réactions importantes pour la bioéconomie.

Le doctorant Manoj Ravi de l'ETH Zurich a analysé la littérature à ce sujet et a trouvé plusieurs incohérences. "La façon dont les atomes d'aluminium catalysent les réactions est évidemment beaucoup plus compliquée qu'on ne le pensait auparavant, " dit-il. Par exemple, tous les atomes d'aluminium ne sont pas complètement libérés du composé d'échafaudage. Au lieu, trois types différents d'atomes d'aluminium coexistent dans une telle zéolithe :ceux qui sont encore coincés dans l'échafaudage, ceux qui sont partiellement détachés, et ceux qui sont complètement détachés. "Il est important de distinguer ces trois types les uns des autres et de ne pas les regrouper."

Comprendre ce qui se passe

Le PSI synthétise également lui-même des zéolithes et analyse leurs structures, par exemple avec l'aide de la Swiss Light Source SLS. "Les mesures dans les grandes installations de recherche et avec d'autres technologies modernes nous aident à mieux comprendre la structure des centres actifs importants, " dit Sushkevich. Les centres actifs sont les sites d'un catalyseur où la réaction a lieu.

Cette approche pourrait être utile non seulement pour la transition vers une bioéconomie, mais aussi dans la transformation des ressources fossiles classiques, ajoute le chimiste.

L'article sera publié le 21 septembre 2020 dans la revue Matériaux naturels .