La nature inspire des réalisations révolutionnaires : production sans danger de produits chimiques fluorés

Une équipe de chimistes a mis au point une méthode entièrement nouvelle pour générer des produits chimiques fluorés d’importance critique qui contourne le gaz dangereux de fluorure d’hydrogène (HF). Les conclusions, publiées dans Science, pourrait avoir un impact immense sur l’amélioration de la sécurité et de l’empreinte carbone d’une industrie mondiale en pleine croissance. L’article est intitulé « Fluorochimiques à partir de spath fluor via un processus mécanochimique activé par le phosphate qui contourne le HF ».

Les produits chimiques fluorés sont un groupe de produits chimiques qui ont un large éventail d’applications importantes, notamment les polymères, les produits agrochimiques, les produits pharmaceutiques et les batteries lithium-ion des smartphones et des voitures électriques, avec un marché mondial de 21,4 milliards de dollars en 2018. Actuellement, tous les produits chimiques fluorés sont générés à partir du gaz toxique et corrosif fluorure d’hydrogène (HF) dans un processus à forte consommation d’énergie. Malgré des réglementations de sécurité strictes, des déversements de HF se sont produits à de nombreuses reprises au cours des dernières décennies, entraînant parfois des accidents mortels et des effets néfastes sur l’environnement.

Pour développer une approche plus sûre, une équipe de chimistes de l’Université d’Oxford aux côtés de collègues de la spin-out d’Oxford FluoRok, de l’University College London et de la Colorado State University, s’est inspirée du processus naturel de biominéralisation qui forme les dents et les os. Normalement, le HF lui-même est produit en faisant réagir un minéral cristallin appelé spath fluor (CaF2) avec de l’acide sulfurique dans des conditions difficiles, avant d’être utilisé pour fabriquer des produits chimiques fluorés. Dans la nouvelle méthode, les produits chimiques fluorés sont fabriqués directement à partir de CaF2, en contournant complètement la production de HF : une réalisation que les chimistes recherchent depuis des décennies.

Dans la nouvelle méthode, le CaF2 à l’état solide est activé par un processus inspiré de la biominéralisation, qui imite la façon dont les minéraux de phosphate de calcium se forment biologiquement dans les dents et les os. L’équipe a broyé CaF2 avec du sel de phosphate de potassium en poudre dans un broyeur à boulets pendant plusieurs heures, en utilisant un processus mécanochimique qui a évolué à partir de la manière traditionnelle de broyer les épices avec un pilon et un mortier.

Le produit en poudre résultant, appelé Fluoromix, a permis la synthèse de plus de 50 composés fluorés différents directement à partir de CaF2, avec un rendement allant jusqu’à 98 %. La méthode développée a le potentiel de rationaliser la chaîne d’approvisionnement actuelle et de réduire les besoins en énergie, contribuant ainsi à atteindre les futurs objectifs de durabilité et à réduire l’empreinte carbone de l’industrie.

Fait intéressant, le procédé à l’état solide développé était tout aussi efficace avec le spath fluor de qualité acide (> 97 %, CaF2) qu’avec le CaF2 de qualité réactif synthétique. Le processus représente un changement de paradigme pour la fabrication de produits chimiques fluorés à travers le monde et a conduit à la création de FluoRok, une entreprise dérivée axée sur la commercialisation de cette technologie et le développement de fluorations sûres, durables et rentables. Les chercheurs espèrent que cette étude encouragera les scientifiques du monde entier à proposer des solutions perturbatrices à des problèmes chimiques difficiles, avec la perspective d’un bénéfice sociétal.

Calum Patel, du Département de chimie de l’Université d’Oxford, et l’un des principaux auteurs de l’étude, déclare : « L’activation mécanochimique du CaF2 avec un sel de phosphate était une invention passionnante car ce processus apparemment simple représente une solution très efficace à un problème complexe ; cependant, de grandes questions sur le fonctionnement de cette réaction demeurent. La collaboration était essentielle pour répondre à ces questions et faire progresser notre compréhension de ce nouveau domaine inexploré de la chimie du fluor. l’importance de cela. »

L’auteur principal, la professeure Véronique Gouverneur FRS, du département de chimie de l’Université d’Oxford, qui a conçu et dirigé cette étude, déclare : « L’utilisation directe de CaF2 pour la fluoration est un Saint Graal dans le domaine, et une solution à ce problème est recherchée depuis des décennies.

« Cette étude représente une étape importante dans cette direction car la méthode développée à Oxford a le potentiel d’être mise en œuvre n’importe où dans le monde universitaire et industriel, de minimiser les émissions de carbone, par exemple en raccourcissant les chaînes d’approvisionnement, et d’offrir une fiabilité accrue compte tenu de la fragilité des chaînes d’approvisionnement mondiales.