Un nouveau type de catalyseur décompose les plastiques polyoléfiniques en nouveaux produits utiles. Ce projet fait partie d’une nouvelle stratégie visant à réduire la quantité de déchets plastiques et leur impact sur notre environnement, ainsi qu’à récupérer la valeur perdue lorsque les plastiques sont jetés. Le catalyseur a été développé par une équipe de l’Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP), un département américain de l’énergie, Energy Frontier Research Center. L’effort a été dirigé par Aaron Sadow, directeur de l’iCOUP, scientifique au Ames National Laboratory et professeur à l’Iowa State University ; Andreas Heyden, professeur à l’Université de Caroline du Sud ; et Wenyu Huang, scientifique au Ames Lab et professeur à l’Iowa State. Le nouveau catalyseur est composé uniquement de matériaux abondants en terre, dont ils ont démontré qu’ils peuvent rompre les liaisons carbone-carbone (CC) dans les hydrocarbures aliphatiques.
Les hydrocarbures aliphatiques sont des composés organiques constitués uniquement d’hydrogène et de carbone. Les plastiques polyoléfiniques sont des hydrocarbures aliphatiques composés de longues chaînes d’atomes de carbone liés entre eux pour former des matériaux solides. Ces matériaux sont une grande partie de la crise des déchets plastiques. Wenyu Huang a déclaré : « Plus de la moitié des plastiques produits jusqu’à présent sont à base de polyoléfine.
Les plastiques polyoléfines sont utilisés partout dans le monde moderne, y compris dans les films rétractables et autres produits d’emballage, les récipients pour liquides tels que les détergents ou le lait, les fibres des vêtements imperméables, le fil dentaire et l’électronique. Pourtant, comme l’a expliqué Andreas Heyden, les polyoléfines font partie des plastiques les plus difficiles à recycler et de nouvelles approches sont nécessaires. L’une de ces alternatives prometteuses au recyclage est connue sous le nom d’upcycling. Cette approche implique la transformation chimique des matériaux en produits de plus grande valeur.
Une façon de recycler les polyoléfines est un processus chimique appelé hydrogénolyse. Au cours de ce processus, un catalyseur divise les chaînes de molécules en coupant les liaisons CC et en ajoutant de l’hydrogène. Selon Aaron Sadow, les catalyseurs utilisés pour l’hydrogénolyse sont généralement à base de métaux précieux, tels que le platine. Le platine est cher en raison de sa faible abondance dans la croûte terrestre, et en raison de son efficacité, il est utilisé dans de nombreux types de transformations catalytiques.
Pour relever à la fois les défis de la durabilité et de l’économie, Heyden a déclaré : « Nous pensions que nous serions capables d’utiliser des éléments abondants en terre pour créer des matériaux catalytiques beaucoup moins chers, et en assemblant ces éléments d’une certaine manière, nous pourrions atteindre une sélectivité élevée et encore très bonne activité. »
L’équipe a découvert que la zircone, un oxyde de métal abondant dans la terre, peut couper les liaisons CC dans les polymères d’hydrocarbures aliphatiques à peu près à la même vitesse que les catalyseurs de métaux précieux. « Nous avons été surpris de pouvoir effectuer une hydrogénolyse des liaisons CC, en utilisant l’oxyde de zirconium comme catalyseur. Le paradigme conventionnel est que la zircone n’est pas très réactive en elle-même », a déclaré Sadow.
La clé de son succès est la structure du catalyseur, qui a été conçue par Wenyu Huang et son groupe. « Dans cette architecture, des nanoparticules de zircone ultrapetites sont intégrées entre deux plaques de silice mésoporeuse. Les deux plaques de silice sont fusionnées, avec la zircone intégrée au milieu, comme un sandwich », a déclaré Huang. « Les pores de la silice permettent d’accéder à la zircone, tandis que la structure en sandwich protège les nanoparticules de zircone du frittage ou de la cristallisation, ce qui les rendrait moins efficaces. »
L’équipe de Heyden était chargée de modéliser la réaction et de comprendre où et comment le site actif fonctionne dans des conditions de réaction. « Et donc pour cela, nous faisons à la fois une modélisation chimique quantique du catalyseur et des réactions chimiques ainsi qu’une modélisation classique du réacteur chimique », a-t-il expliqué. « Et ici, nous avons vraiment vu l’importance de cette structure de zircone amorphe. »
Selon Sadow, l’idée d’étudier la zircone dans l’hydrogénolyse était basée sur des recherches pionnières antérieures sur la dépolymérisation des polymères à l’aide d’hydrures de zirconium étudiées à la fin des années 1990. « L’exploitation des hydrures de zirconium pour l’hydrogénolyse est une très belle chimie », a-t-il déclaré. « Le problème est que ces espèces organométalliques de zirconium sont vraiment sensibles à l’air et à l’eau. Elles doivent donc être manipulées dans les conditions les plus propres. En règle générale, les déchets de polymères ne sont pas purs et ne sont pas fournis sous forme de matériau de départ propre et parfaitement sec. Utilisation d’un zirconium catalyseur d’hydrure, vous auriez vraiment à vous soucier des impuretés qui inhibent la chimie. »
Le nouveau matériau de zircone développé par l’équipe est simplement chauffé sous vide avant les réactions et reste actif pendant le processus d’hydrogénolyse. « L’oxyde de zirconium est facilement manipulé dans l’air puis activé. Il ne nécessite aucune sorte de conditions vraiment spécialisées, ce qui était également passionnant », a déclaré Sadow. « Pouvoir prendre un oxyde métallique exposé à l’air, le chauffer avec un alcane et générer un organométallique est une réaction vraiment puissante qui permet ce type de processus d’hydrogénolyse. Cela pourrait potentiellement permettre de nombreuses transformations catalytiques intéressantes d’hydrocarbures qui n’étaient pas auparavant. considéré. »
Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article « Des nanoparticules de zircone amorphe ultrapetites catalysent l’hydrogénolyse des polyoléfines, » écrit par Shaojiang Chen, Akalanka Tennakoon, Kyung-Eun You, Alexander L. Paterson, Ryan Yappert, Selim Alayoglu, Lingzhe Fang, Xun Wu, Tommy Yunpu Zhao, Michelle P. Lapak, Mukunth Saravanan, Ryan A. Hackler, Yi -Yu Wang, Long Qi, Massimiliano Delferro, Tao Li, Byeongdu Lee, Baron Peters, Kenneth R. Poeppelmeier, Salai C. Ammal, Clifford R. Bowers, Frédéric A. Perras, Andreas Heyden, Aaron D. Sadow et Wenyu Huang , et publié dans le Catalyse naturelle.
Plus d’information:
Shaojiang Chen et al, Les nanoparticules de zircone amorphe ultrapetites catalysent l’hydrogénolyse des polyoléfines, Catalyse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41929-023-00910-x