Tout de la production d'engrais et de plastiques, aux carburants liquides et aux produits pharmaceutiques nécessitent une réaction chimique importante connue sous le nom d'hydrogénation. Il s'agit d'un processus impliquant l'ajout d'hydrogène à des liaisons chimiques insaturées. L'augmentation du taux d'hydrogénation peut conduire à des rendements plus élevés pour les industries et à des impacts environnementaux plus faibles.

Maintenant, une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur agrégé Yan Ning du Département de génie chimique et biomoléculaire de l'Université nationale de Singapour (NUS), a mis au point une méthode pour augmenter le taux d'hydrogénation de l'éthylène de plus de cinq fois par rapport aux taux industriels typiques.

L'équipe y est parvenue en utilisant une approche radicalement différente. Contrairement à la plupart des procédés d'hydrogénation actuels qui utilisent un catalyseur solide statique pour accélérer la réaction, la technique développée par les chercheurs de NUS applique des potentiels électriques oscillants à un catalyseur d'hydrogénation commercial, qui a ensuite considérablement augmenté le taux d'hydrogénation de l'éthylène en éthane.

« De telles améliorations des vitesses ou de la sélectivité des réactions chimiques sont essentielles pour rendre un processus chimique plus efficace. Notre travail démontre un moyen plus direct et plus rentable d'optimiser les performances du catalyseur qui va au-delà des méthodes conventionnelles, ", a déclaré le professeur adjoint Yan.

Les travaux novateurs de l'équipe ont été publiés dans JACS Au le 14 avril 2021.

Amélioration de la catalyse d'hydrogénation avec des potentiels électriques oscillants

La plupart des catalyseurs d'hydrogénation ont été développés au cours de plusieurs siècles, mais le développement de nouveaux catalyseurs s'est généralement limité aux approches conventionnelles de conception de matériaux. Quelques études ont montré que la catalyse peut être favorisée en appliquant des potentiels électriques au catalyseur. Alors que ces méthodes ont déjà amélioré la sélectivité et l'activité des catalyseurs hétérogènes dans des conditions statiques, l'utilisation de stimuli externes dynamiques a été sous-explorée.

Les nouvelles découvertes de l'équipe NUS offrent un outil d'ingénierie avancé utilisant des potentiels électriques oscillants pour favoriser la vitesse des réactions chimiques sans le développement de nouveaux matériaux catalytiques.

Pour y parvenir, l'équipe NUS a mené des expériences en utilisant un catalyseur au palladium commercial dans un réacteur électrochimique à l'échelle du laboratoire, et observé une augmentation du taux de cinq fois dans des conditions dynamiques optimales. Ils ont réussi à corréler l'augmentation du taux avec la capacité à double couche - un indicateur de l'intensité du champ électrique local à l'interface catalyseur-électrolyte - en utilisant différentes solutions d'électrolyte. Les propriétés du catalyseur ont changé périodiquement et en continu, qui a accéléré les étapes impliquées dans la réaction d'hydrogénation de l'éthylène.

Les chercheurs ont mené d'autres expériences cinétiques, ce qui suggère que l'amélioration pourrait être liée à l'élimination partielle de l'hydrogène fortement adsorbé de la surface du catalyseur à un potentiel négatif, et l'adsorption et l'hydrogénation subséquentes de l'éthylène à un potentiel positif.

Les découvertes de l'équipe illustrent la faisabilité de l'utilisation de potentiels oscillants pour améliorer la vitesse catalytique d'une réaction d'hydrogénation relativement simple. Une approche similaire pourrait être étendue pour contrôler l'activité et la sélectivité d'un large éventail de réactions catalytiques.

Prochaines étapes

L'équipe NUS mène d'autres études pour améliorer sa compréhension des principes fondamentaux de sa nouvelle technique. Ils cherchent également à développer davantage leur approche en une stratégie générale pour améliorer les catalyseurs au-delà de leur « optimum statique ».