Des chercheurs du nord-ouest du Pacifique ont mis au point un nouveau matériau catalyseur qui pourrait remplacer les produits chimiques actuellement dérivés du pétrole et constituer la base de produits plus respectueux de l'environnement, notamment des additifs de gaz et de carburant augmentant l'indice d'octane, caoutchouc biosourcé pour pneus et solvant plus sûr pour l'industrie chimique.

Pour fabriquer des biocarburants durables, les producteurs veulent fermenter l'éthanol à partir de matières végétales non alimentaires telles que les tiges de maïs et les mauvaises herbes. Actuellement, Les valeurs principales du bioéthanol sont en tant que remplacement non polluant des additifs de carburant augmentant l'indice d'octane pour empêcher le moteur de cogner et en tant que remplacement renouvelable d'un certain pourcentage d'essence. Pour transformer le bioéthanol en d'autres produits utiles, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie et de la Washington State University ont mis au point un nouveau matériau catalyseur qui le convertira en un produit chimique appelé isobutène. Et il peut le faire en une seule étape de production, ce qui peut réduire les coûts.

Rapporté par des chercheurs de l'Institute for Integrated Catalysis du PNNL et de la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering de WSU, les résultats sont apparus le 21 juillet dans le Journal de l'American Chemical Society .

« L'isobutène est un produit chimique polyvalent qui pourrait étendre les applications du bioéthanol produit de manière durable, " a déclaré l'ingénieur chimiste Yong Wang, qui a un rendez-vous conjoint au PNNL à Richland, Wash. et à WSU à Pullman, Lavage., et dirige les efforts de recherche dans les deux institutions.

En outre, ce catalyseur nécessite la présence d'eau, permettre aux producteurs d'utiliser du bioéthanol dilué et moins cher plutôt que d'avoir à le purifier au préalable, potentiellement réduire les coûts et accélérer les délais de production.

Pas de Z-Z-Z pour les fatigués

Une clé importante pour débloquer les énergies renouvelables pour remplacer les produits combustibles fossiles est le catalyseur. Un catalyseur est une substance qui favorise les réactions chimiques d'intérêt. Le pot catalytique dans une voiture, par exemple, accélère les réactions chimiques qui décomposent les gaz polluants, nettoyer les gaz d'échappement d'un véhicule.

Les chercheurs du PNNL et du WSU essayaient de fabriquer du carburant hydrogène à partir d'éthanol. Pour améliorer un catalyseur conventionnel, ils avaient pris de l'oxyde de zinc et de l'oxyde de zirconium et les avaient combinés en un nouveau matériau appelé oxyde mixte - les atomes de zinc et de zirconium tissés à travers un cristal d'atomes d'oxygène. Tester l'oxyde mixte, Le chercheur postdoctoral du PNNL Junming Sun a vu non seulement de l'hydrogène, mais -- contre toute attente -- pas mal d'isobutène (EYE-SO-BEW-TEEN).

L'hydrogène c'est bien, mais l'isobutène est meilleur. Les chimistes peuvent en faire du caoutchouc pour pneus ou un solvant plus sûr qui peut remplacer les solvants toxiques pour le nettoyage ou les utilisations industrielles. L'isobutène peut également être facilement transformé en additifs pour carburéacteur et essence qui augmentent l'octane - cette valeur indiquée sur les pompes à essence qui empêche un moteur de cogner - comme l'ETBE.

Le soleil brille

Personne n'avait jamais vu un catalyseur créer de l'isobutène à partir d'éthanol dans une réaction chimique en une étape auparavant, les chercheurs ont donc réalisé qu'un tel catalyseur pourrait être important pour réduire le coût des biocarburants et des produits chimiques renouvelables.

Enquêter plus en profondeur sur le catalyseur, les chercheurs ont examiné ce qui se passait lorsqu'ils utilisaient différentes quantités de zinc et de zirconium. Ils ont montré qu'un catalyseur composé uniquement d'oxyde de zinc convertissait l'éthanol principalement en acétone, un ingrédient dans le dissolvant de vernis à ongles. Si le catalyseur ne contenait que de l'oxyde de zirconium, il a converti l'éthanol principalement en éthylène, un produit chimique fabriqué par les plantes qui fait mûrir les fruits.

Mais l'isobutène ? Cela ne s'est produit qu'en quantités utiles lorsque le catalyseur contenait à la fois du zinc et du zirconium. Et « quantités utiles » signifie « beaucoup ». Avec un rapport de 1:10 zinc/zirconium, le catalyseur d'oxyde mixte pourrait transformer plus de 83 pour cent de l'éthanol en isobutène.

« Nous avons constamment obtenu un rendement de 83 % avec une durée de vie du catalyseur améliorée, ", a déclaré Wang. "Nous étions heureux de voir ce rendement très élevé."

Perspicacité réactionnaire

Les chercheurs ont analysé la chimie pour comprendre ce qui se passait. Dans les expériences sur les oxydes métalliques simples, l'oxyde de zinc a créé de l'acétone tandis que l'oxyde de zirconium a créé de l'éthylène. Le moyen le plus simple de se rendre à l'isobutène à partir de là, théoriquement parlant, consiste à convertir l'acétone en isobutène, dont l'oxyde de zirconium est normalement capable. Et le chemin de l'éthanol à l'isobutène ne pourrait être aussi productif que Sun l'a découvert si l'oxyde de zirconium n'était pas détourné en transformant l'éthanol en éthylène en cours de route.

Quelque chose à propos de l'oxyde mixte, alors, empêchait l'oxyde de zirconium de transformer l'éthanol en éthylène indésirable. L'équipe a estimé que l'isobutène provenait probablement de l'oxyde de zinc transformant l'éthanol en acétone, puis l'oxyde de zirconium - influencé par l'oxyde de zinc voisin - transformant l'acétone en isobutène. À la fois, l'influence de l'oxyde de zinc a empêché la conversion de l'éthanol en éthylène par l'oxyde de zirconium. Bien qu'il s'agisse de deux étapes de réaction pour le catalyseur, c'est un seul pour les chimistes, car ils n'avaient qu'à mettre le catalyseur avec de l'éthanol et de l'eau une seule fois.

Pour avoir une idée de la proximité des réactions entre elles pour que l'isobutène apparaisse, l'équipe a combiné de l'oxyde de zinc en poudre et de l'oxyde de zirconium en poudre. Celui-ci différait de l'oxyde mixte en ce que les atomes de zinc et de zirconium n'étaient pas incorporés dans les mêmes particules de catalyseur. Ces poudres mélangées transformaient l'éthanol principalement en acétone et en éthylène, avec quelques quantités d'autres molécules et moins de 3 pour cent d'isobutène, indiquant que la magie du catalyseur provenait de la microstructure du matériau d'oxyde mixte.

L'équilibre

Donc, les chercheurs ont exploré la microstructure à l'aide des instruments et de l'expertise de l'EMSL, Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du DOE sur le campus du PNNL. À l'aide d'outils puissants appelés microscopes électroniques à transmission, l'équipe a vu que le catalyseur d'oxyde mixte était composé de particules cristallines de taille nanométrique.

Un examen plus approfondi des catalyseurs les plus performants a révélé que l'oxyde de zinc était réparti uniformément sur les régions d'oxyde de zirconium. Le catalyseur le moins performant - avec un rapport zinc/zirconium de 1:1 - a révélé des régions d'oxyde de zinc et des régions d'oxyde de zirconium. Cela a suggéré à l'équipe que les deux métaux devaient être proches l'un de l'autre pour transformer rapidement l'acétone en isobutène.

Les résultats expérimentaux d'autres méthodes analytiques ont indiqué que l'équipe pourrait optimiser le type de réactions chimiques qui conduisent à l'isobutène et également empêcher le catalyseur de se désactiver en même temps. L'équilibre élégant des sites acides et basiques sur les oxydes mixtes a considérablement réduit le carbone de l'accumulation et de l'encrassement des catalyseurs, ce qui réduit leur durée de vie.

Future work will look into optimizations to further improve the yield and catalyst life. Wang and colleagues would also like to see if they can combine this isobutene catalyst with other catalysts to produce different chemicals in one-pot reactions.