Les chimistes de la Northwestern University se sont inspirés des plantes pour révolutionner la fabrication d'un important produit chimique industriel.

Dans une première pour le domaine, l'équipe de Northwestern a utilisé de la lumière et de l'eau pour convertir l'acétylène en éthylène, un produit chimique largement utilisé et très précieux qui est un ingrédient clé des plastiques.

Bien que cette conversion nécessite généralement des températures et des pressions élevées, de l'hydrogène inflammable et des métaux coûteux pour conduire la réaction, le processus de type photosynthèse de Northwestern est beaucoup moins coûteux et moins énergivore. Non seulement le nouveau procédé est-il respectueux de l'environnement, mais il fonctionne aussi incroyablement bien :il convertit avec succès près de 100 % de l'acétylène en éthylène.

"Dans l'industrie, cette méthode nécessite des processus énergivores qui nécessitent des températures élevées, une alimentation externe en hydrogène gazeux inflammable et des matériaux contenant des métaux nobles, qui sont coûteux et difficiles à obtenir", a déclaré Francesca Arcudi de Northwestern, co-première auteur de l'étude. . "Notre nouvelle stratégie résout tous ces problèmes à la fois. Elle fonctionne en utilisant de la lumière et de l'eau au lieu de températures élevées et d'hydrogène. Et au lieu de métaux coûteux, nous utilisons des matériaux naturellement abondants et peu coûteux."

La stratégie qui en a résulté a étonnamment bien fonctionné. Alors que le processus industriel actuel donne une sélectivité de 90 % pour l'éthylène, l'approche Northwestern a une sélectivité de 99 % pour l'éthylène.

"C'est important car il s'agit d'un produit chimique de base à haute valeur économique", a déclaré Luka Ðorđević de Northwestern, co-premier auteur de l'étude. "Plus vous pouvez produire sans gaspillage, mieux c'est."

L'étude sera publiée jeudi 9 juin dans la revue Nature Chemistry. Il s'agit du premier rapport de chercheurs utilisant la lumière pour convertir l'acétylène en éthylène.

Cet article est le résultat d'une collaboration entre Emily Weiss et Samuel I. Stupp et de leurs efforts conjoints dans le cadre du Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) de Northwestern. Weiss, professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, est l'auteur correspondant de l'article. Arcudi est chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Weiss. Ðorđević est stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Stupp. Stupp est professeur au conseil d'administration de science et génie des matériaux, de chimie, de médecine et de génie biomédical à Northwestern, avec des nominations au Weinberg College, à la McCormick School of Engineering et à la Northwestern University Feinberg School of Medicine.

"Au CBES, nous nous efforçons de relever des défis fondamentaux en nous inspirant de la nature", a déclaré Stupp, directeur du CBES. "La vitamine B12, l'un des rares cofacteurs organométalliques naturels, a été utilisée dans cet article comme source d'inspiration pour concevoir notre catalyseur."

En tant que précurseur de 50 à 60 % de tous les plastiques du monde, l'éthylène est une denrée recherchée. Afin de répondre à la demande toujours croissante de ce précieux produit chimique, l'industrie produit plus de 200 millions de tonnes d'éthylène par an.

Pour générer de l'éthylène, les chimistes utilisent le vapocraquage, une méthode industrielle qui utilise de la vapeur chaude pour décomposer l'éthane en molécules plus petites, qui sont ensuite distillées en éthylène. Mais le produit chimique résultant contient une petite quantité d'acétylène, un contaminant qui désactive les catalyseurs pour empêcher l'éthylène de se convertir correctement en plastique. Avant que l'éthylène puisse être transformé en plastique, l'acétylène doit être éliminé ou converti en éthylène.

"L'élimination ou la conversion de l'acétylène afin d'obtenir de l'éthylène pur est un processus bien connu dans l'industrie", a déclaré Weiss. "Le procédé présente de nombreux problèmes, c'est pourquoi la communauté scientifique a essayé de proposer une alternative à ce procédé. Produire de l'éthylène de qualité polymère à partir de dioxyde de carbone est une alternative souhaitable, mais cette voie n'est pas encore suffisamment développée. Notre stratégie est une première étape majeure vers la production de cet important produit chimique de base avec la plus faible empreinte énergétique possible."

En particulier, une quantité incroyable d'énergie est nécessaire pour atteindre les hautes températures et pressions requises pour une réaction chimique réussie. Cela nécessite également des catalyseurs coûteux fabriqués à partir de métaux nobles, tels que le palladium. Et parce que le processus repose sur les protons de l'hydrogène, qui est produit à partir de combustibles fossiles, il génère de grandes quantités de dioxyde de carbone.

La stratégie de Northwestern contourne tous ces problèmes. Pour convertir l'acétylène en éthylène, les chimistes de Northwestern ont remplacé le catalyseur au palladium par du cobalt, une alternative moins chère et plus abondante. Ils ont également utilisé la température ambiante et la pression ambiante. Au lieu de la chaleur, ils ont utilisé la lumière visible. Et, enfin, ils ont remplacé l'hydrogène par de l'eau ordinaire comme source de protons.

L'étude s'intitule "Photocatalyse sélective en lumière visible de l'acétylène en éthylène en utilisant un catalyseur moléculaire au cobalt et de l'eau comme source de protons". + Explorer plus loin

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