Les chercheurs ont créé un nouveau catalyseur qui transforme les hydrocarbures en produits chimiques et en matériaux de plus grande valeur, plus faciles à recycler et biodégradables dans l’environnement. Ce catalyseur transforme des matières telles que l’huile de moteur, les plastiques des sacs d’épicerie à usage unique, les bouteilles d’eau ou de lait et leurs bouchons, et même le gaz naturel. Il a été développé par une équipe de scientifiques dirigée par Aaron Sadow, scientifique au Ames National Laboratory, directeur de l’Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) et professeur de chimie à l’Iowa State University.
Le nouveau catalyseur est conçu pour introduire des groupes fonctionnels dans des hydrocarbures aliphatiques. Les hydrocarbures aliphatiques sont des composés organiques constitués uniquement d’hydrogène et de carbone. Ils ne se mélangent généralement pas à l’eau, créant à la place des couches distinctes, en partie parce qu’ils ne contiennent pas de groupes fonctionnels. Les groupes fonctionnels sont des groupements spécifiques d’atomes au sein de molécules qui ont des caractéristiques uniques. L’ajout de groupes fonctionnels à ces chaînes d’hydrocarbures peut affecter considérablement leurs propriétés et rendre les matériaux recyclables.
« Le méthane dans le gaz naturel est le plus simple des hydrocarbures avec rien d’autre que des liaisons carbone-hydrogène (CH). Les huiles et les polymères ont des chaînes d’atomes de carbone, liés par des liaisons carbone-carbone (CC) », a expliqué Sadow.
Les hydrocarbures aliphatiques constituent une grande partie du pétrole et des produits pétroliers raffinés, tels que les plastiques et les huiles à moteur. Ces matériaux « n’ont pas d’autres groupes fonctionnels, ce qui signifie qu’ils ne sont pas faciles à biodégrader », a déclaré Sadow. « Ainsi, c’est depuis longtemps un objectif dans le domaine de la catalyse de pouvoir prendre ces types de matériaux et d’ajouter d’autres atomes, comme l’oxygène, ou de construire de nouvelles structures à partir de ces produits chimiques simples. »
Malheureusement, la manière conventionnelle d’ajouter des atomes aux chaînes d’hydrocarbures nécessite des apports d’énergie considérables. Le premier pétrole est « craqué » avec de la chaleur et de la pression en petits blocs de construction. Ensuite, ces blocs de construction sont utilisés pour développer des chaînes. Enfin, les atomes souhaités sont ajoutés à la fin des chaînes. Dans cette nouvelle approche, les hydrocarbures aliphatiques existants sont convertis directement sans craquage et à basse température.
L’équipe de Sadow utilisait auparavant un catalyseur pour rompre les liaisons CC dans ces chaînes d’hydrocarbures et attachait simultanément de l’aluminium aux extrémités des chaînes plus petites. Ensuite, ils ont inséré de l’oxygène ou d’autres atomes pour introduire des groupes fonctionnels. Pour développer un procédé complémentaire, l’équipe a trouvé un moyen d’éviter l’étape de rupture de la liaison CC.
« Selon la longueur de la chaîne du matériau de départ et les propriétés souhaitées du produit, nous pourrions vouloir raccourcir les chaînes ou simplement ajouter le groupe fonctionnel oxygène », a déclaré Sadow. « Si nous pouvions éviter le clivage CC, nous pourrions, en principe, simplement transférer les chaînes du catalyseur vers l’aluminium, puis ajouter de l’air pour installer le groupe fonctionnel. »
Sadow a expliqué que le catalyseur est synthétisé en fixant un composé de zirconium disponible dans le commerce sur de la silice-alumine disponible dans le commerce. Les substances sont toutes abondantes sur terre et peu coûteuses, ce qui est bénéfique pour les futures applications commerciales potentielles.
De plus, le catalyseur et le réactif sont avantageux en termes de durabilité et de coût. L’aluminium est le métal le plus abondant sur terre et le réactif aluminium utilisé est synthétisé sans créer de sous-produits de déchets. Le précurseur de catalyseur à base d’alcoxyde de zirconium est stable à l’air, facilement disponible et activé dans le réacteur. « Ainsi, contrairement à de nombreuses chimies organométalliques anciennes qui sont extrêmement sensibles à l’air, ce précurseur de catalyseur est facile à manipuler », a déclaré Sadow.
Cette chimie est une étape vers la capacité d’affecter les propriétés physiques d’une variété de plastiques, comme les rendre plus résistants et plus faciles à colorer. « Au fur et à mesure que nous développons la catalyse, nous nous attendons à pouvoir incorporer de plus en plus de groupes fonctionnels pour affecter les propriétés physiques des polymères », a déclaré Sadow.
Sadow a attribué le succès de ce projet à la nature collaborative d’iCOUP. Le groupe de Perras au Ames National Laboratory a étudié les structures de catalyseurs à l’aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Coates », les groupes de LaPointe et Delferro de l’Université Cornell et du Laboratoire national d’Argonne ont étudié la structure et les propriétés physiques des polymères. Et le groupe de Peters de l’Université de l’Illinois a modélisé statistiquement la fonctionnalisation des polymères. « , a déclaré Sadow. « Ce travail met en évidence les avantages de la science d’équipe. »
Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article « Zirconium-Catalysed C–H Alumination of Polyolefins, Paraffins, and Methane », publié dans le Journal de l’American Chemical Society (JAC). Le travail a également été présenté dans JAC Pleins feux sur « Un nouvel outil polyvalent pour la fabrication de produits chimiques de base ».
Plus d’information:
Uddhav Kanbur et al, Zirconium-Catalysed C–H Alumination of Polyolefins, Paraffins, and Methane, Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.2c11056
Pleins feux sur les publications récentes de JACS, Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c00911