Des scientifiques de l’Université de Cardiff ont fait un pas vers une manière plus verte et plus durable de créer un matériau plastique présent dans une gamme d’articles allant des brosses à dents et des cordes de guitare aux implants médicaux, aux matériaux de construction et aux pièces automobiles.
Dans un nouvel article publié aujourd’hui dans la revue Sciencel’équipe rapporte une toute nouvelle méthode de création d’oxime de cyclohexanone, un précurseur du matériau plastique Nylon-6, qui est un matériau de construction clé utilisé dans les industries automobile, aéronautique, électronique, vestimentaire et médicale.
On estime que la production mondiale de Nylon-6 devrait atteindre environ 9 millions de tonnes métriques par an d’ici 2024, incitant les scientifiques à rechercher des moyens plus écologiques et plus durables de produire de l’oxime de cyclohexanone.
Actuellement, l’oxime de cyclohexanone est produite industriellement par un procédé impliquant du peroxyde d’hydrogène (H2O2), de l’ammoniac (NH3) et un catalyseur appelé titanosilicate-1 (TS-1).
Le H2O2 utilisé dans ce processus chimique, ainsi que dans de nombreux autres, est produit ailleurs et doit être expédié avant de pouvoir être utilisé dans la réaction chimique.
Il s’agit d’un processus coûteux et à forte intensité de carbone qui nécessite également l’expédition de H2O2 hautement concentré à l’utilisateur final avant la dilution, ce qui gaspille efficacement les grandes quantités d’énergie utilisées lors de la concentration.
De même, les agents stabilisants souvent utilisés pour augmenter la durée de conservation du H2O2 peuvent limiter la durée de vie du réacteur et doivent souvent être éliminés avant d’arriver au produit final, ce qui entraîne des coûts économiques et environnementaux supplémentaires.
Pour résoudre ce problème, l’équipe a mis au point une méthode dans laquelle le H2O2 est synthétisé in situ à partir de flux dilués d’hydrogène et d’oxygène, à l’aide d’un catalyseur composé de nanoparticules d’or-palladium (AuPd) qui sont soit directement chargées sur le TS-1, soit sur un transporteur secondaire.
Les nanoparticules, qui mesurent environ entre 1 et 100 nanomètres, sont des matériaux extrêmement utiles à utiliser comme catalyseurs en raison de leur grand rapport surface/volume par rapport aux matériaux en vrac.
La méthode a été réalisée dans des conditions que l’on pensait auparavant extrêmement préjudiciables à la production de H2O2 et peut produire des rendements d’oxime de cyclohexanone comparables à ceux observés dans les procédés commerciaux actuels, tout en évitant les inconvénients majeurs associés au H2O2 commercial.
De plus, l’équipe a pu démontrer la polyvalence de cette approche en produisant une gamme d’autres produits chimiques importants sur le plan industriel, qui ont eux-mêmes des applications très variées.
L’auteur principal de l’étude, le Dr Richard Lewis, du Max Planck–Cardiff Center on the Fundamentals of Heterogeneous Catalysis, basé au Cardiff Catalysis Institute, a déclaré : « Ce travail représente une première étape positive vers des transformations chimiques sélectives plus durables et a le potentiel de remplacer la voie industrielle actuelle vers l’oxime de cyclohexanone.
« La génération de H2O2 grâce à cette nouvelle approche pourrait être utilisée dans un large éventail d’autres applications industrielles qui dépendent actuellement de l’utilisation de TS-1 et de H2O2, ce qui pourrait représenter un changement radical dans la chimie de l’oxydation industrielle.
« Il s’agit d’une démonstration claire que grâce à la collaboration universitaire et industrielle, des améliorations significatives sur les technologies de pointe actuelles peuvent être apportées, entraînant des économies de coûts importantes et une réduction des émissions de gaz à effet de serre d’un processus industriel majeur.
Richard J. Lewis et al, Production catalytique hautement efficace d’oximes à partir de cétones à l’aide de H2O2 généré in situ, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abl4822