Les métaux liquides pourraient être la solution tant attendue pour « écologiser » l'industrie chimique, selon des chercheurs qui ont testé une nouvelle technique qui, espèrent-ils, pourra remplacer les processus de génie chimique énergivores remontant au début du 20e siècle.
La production chimique représente environ 10 à 15 % des émissions totales de gaz à effet de serre. Plus de 10 % de l'énergie totale mondiale est également utilisée dans les usines chimiques.
Résultats publiés dans Nature Nanotechnology offrent une innovation indispensable qui s’éloigne des anciens catalyseurs énergivores fabriqués à partir de matériaux solides. La recherche est dirigée par le professeur Kourosh Kalantar-Zadeh, directeur de l'École de génie chimique et biomoléculaire de l'Université de Sydney, et le Dr Junma Tang, qui travaille conjointement à l'Université de Sydney et à l'UNSW.
Un catalyseur est une substance qui accélère et facilite les réactions chimiques sans participer à la réaction. Les catalyseurs solides, généralement des métaux solides ou des composés solides de métaux, sont couramment utilisés dans l'industrie chimique pour fabriquer des plastiques, des engrais, des carburants et des matières premières.
Cependant, la production chimique utilisant des procédés solides est gourmande en énergie, nécessitant des températures allant jusqu'à mille degrés centigrades.
Le nouveau procédé utilise plutôt des métaux liquides, en l'occurrence en dissolvant l'étain et le nickel, ce qui leur confère une mobilité unique, leur permettant de migrer à la surface des métaux liquides et de réagir avec des molécules d'entrée telles que l'huile de canola. Cela entraîne la rotation, la fragmentation et le réassemblage des molécules d'huile de canola en chaînes organiques plus petites, y compris le propylène, un carburant à haute énergie crucial pour de nombreuses industries.
"Notre méthode offre une possibilité sans précédent à l'industrie chimique de réduire la consommation d'énergie et de rendre les réactions chimiques plus écologiques", a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh.
"On s'attend à ce que le secteur chimique soit responsable de plus de 20 % des émissions d'ici 2050", a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh. "Mais l'industrie chimique est beaucoup moins visible que d'autres secteurs :un changement de paradigme est vital."
Les atomes des métaux liquides sont disposés de manière plus aléatoire et ont une plus grande liberté de mouvement que les solides. Cela leur permet d’entrer facilement en contact et de participer à des réactions chimiques. "En théorie, ils peuvent catalyser des produits chimiques à des températures beaucoup plus basses, ce qui signifie qu'ils nécessitent beaucoup moins d'énergie", a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh.
Dans leurs recherches, les auteurs ont dissous du nickel et de l'étain à point de fusion élevé dans un métal liquide à base de gallium avec un point de fusion de seulement 30° centigrades.
« En dissolvant le nickel dans le gallium liquide, nous avons eu accès au nickel liquide à très basse température, agissant comme un « super » catalyseur. En comparaison, le point de fusion du nickel solide est de 1 455 °C. Le même effet, à un moindre degré, est également ressenti. pour l'étain métallique dans le gallium liquide", a déclaré le Dr Tang.
Les métaux étaient dispersés dans des solvants métalliques liquides au niveau atomique. "Nous avons donc accès à des catalyseurs à atome unique. L'atome unique constitue la surface d'accessibilité la plus élevée pour la catalyse, ce qui offre un avantage remarquable à l'industrie chimique", a déclaré le Dr Arifur Rahim, auteur principal et chercheur DECRA à l'École de génie chimique et biomoléculaire. .
Les chercheurs ont déclaré que leur formule pourrait également être utilisée pour d'autres réactions chimiques en mélangeant des métaux à l'aide de processus à basse température.
"La catalyse nécessite une température si basse que nous pourrions même théoriquement le faire dans la cuisine avec une table de cuisson à gaz, mais n'essayez pas cela à la maison", a déclaré le Dr Tang.
Plus d'informations : Configurations dynamiques d'atomes métalliques à l'état liquide pour la synthèse sélective du propylène, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01540-x
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Université de Sydney
