L’acétaldéhyde est un produit chimique essentiel utilisé dans la fabrication de tout, des parfums aux plastiques. Aujourd’hui, sa production repose en grande partie sur l’éthylène, un produit pétrochimique. Mais les préoccupations environnementales croissantes poussent l’industrie chimique à réduire sa dépendance aux combustibles fossiles. Les scientifiques recherchent donc des moyens plus écologiques de produire de l’acétaldéhyde.
Actuellement, l’acétaldéhyde est produit par le procédé dit Wacker, une méthode de synthèse chimique qui utilise l’éthylène du pétrole et du gaz naturel avec d’autres produits chimiques tels que des acides forts, par exemple l’acide chlorhydrique. Le procédé Wacker a non seulement une empreinte carbone importante, mais il est également gourmand en ressources et n’est pas durable à long terme.
Une solution prometteuse à ce problème est la réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO2) en produits utiles. Le CO2 étant un déchet qui contribue au réchauffement climatique, cette approche s’attaque à deux problèmes environnementaux à la fois : elle réduit les émissions de CO2 et crée des produits chimiques précieux.
Un catalyseur innovant pour plus d’efficacité
Les catalyseurs à base de cuivre ont montré leur potentiel pour cette transformation, mais jusqu’à présent, ils ont eu du mal à être faibles en raison de leur faible sélectivité, ce qui signifie qu’ils produisent un mélange de produits plutôt que l’acétaldéhyde souhaité.
Aujourd’hui, les scientifiques d’un consortium public-privé, dirigé par Cedric David Koolen dans le groupe d’Andreas Züttel de l’EPFL, Jack K. Pedersen de l’Université de Copenhague et Wen Luo de l’Université de Shanghai, ont développé un nouveau catalyseur à base de cuivre qui peut convertir sélectivement le CO2 en acétaldéhyde avec une efficacité impressionnante de 92 %.
La percée, publié dans Synthèse naturelleoffre un moyen plus écologique et plus durable de produire de l’acétaldéhyde et pourrait remplacer le procédé Wacker. De plus, le catalyseur est évolutif et rentable, ouvrant la porte à des applications industrielles.
« Le procédé Wacker n’a effectivement pas changé au cours des 60 dernières années. Il est toujours basé sur la même chimie de base. Le moment était venu pour une percée écologique », déclare Koolen.
« Chimie fascinante »
Les chercheurs ont commencé par synthétiser de minuscules amas de particules de cuivre, chacune mesurant environ 1,6 nanomètres, en utilisant une méthode appelée ablation par étincelle. Cette technique consiste à vaporiser des électrodes de cuivre dans un environnement de gaz inerte et a permis aux scientifiques de contrôler avec précision la taille des particules. Les amas de cuivre ont ensuite été immobilisés sur des supports de carbone pour créer un catalyseur stable et réutilisable.
En laboratoire, l’équipe a testé les performances du catalyseur en le soumettant à une série de réactions électrochimiques avec du CO2 dans un environnement contrôlé. À l’aide d’un synchrotron – une installation à grande échelle générant une source de lumière très brillante – l’équipe s’est assurée que les amas de cuivre convertissaient activement le CO2 en acétaldéhyde grâce à une technique appelée spectroscopie d’absorption des rayons X.
Les résultats ont été remarquables. Les clusters de cuivre ont atteint une sélectivité de 92 % pour l’acétaldéhyde à une tension relativement basse, ce qui est essentiel pour l’efficacité énergétique. Lors d’un test de résistance de 30 heures, le catalyseur a démontré une grande stabilité, maintenant ses performances sur plusieurs cycles. Les chercheurs ont également constaté que les particules de cuivre conservaient leur nature métallique tout au long de la réaction, ce qui contribue à la longévité du catalyseur.
« Ce qui nous a vraiment surpris, c’est que le cuivre est resté métallique, même après suppression du potentiel et exposition à l’air », explique le co-auteur principal Wen Luo. « Le cuivre s’oxyde généralement comme un fou, en particulier le cuivre aussi petit. Mais dans notre cas, une coque d’oxyde s’est formée autour de l’amas, protégeant le noyau d’une oxydation ultérieure. Cela explique la recyclabilité du matériau. Une chimie fascinante. »
Les clés du succès
Pourquoi le nouveau catalyseur a-t-il si bien fonctionné ? Des simulations informatiques ont montré que les amas de cuivre présentent une configuration spécifique d’atomes qui favorise la liaison et la transformation des molécules de CO2 de manière à favoriser la production d’acétaldéhyde par rapport à d’autres produits possibles, comme l’éthanol ou le méthane.
« L’avantage de notre procédé réside dans le fait qu’il peut être appliqué à n’importe quel autre système catalytique », explique Jack K. Pedersen, co-auteur principal. « Grâce à notre cadre informatique, nous pouvons rapidement filtrer les clusters pour détecter leurs caractéristiques prometteuses. Qu’il s’agisse de réduction du CO2 ou d’électrolyse de l’eau, avec ablation par étincelle, nous pouvons facilement produire le nouveau matériau et le tester directement en laboratoire. C’est tellement plus rapide. » que votre cycle typique de test-apprentissage-répétition. »
Le nouveau catalyseur au cuivre constitue une étape importante vers une chimie industrielle plus verte. S’il était étendu, il pourrait remplacer le procédé Wacker, réduisant ainsi le besoin de produits pétrochimiques et réduisant les émissions de CO2. L’acétaldéhyde étant un élément constitutif de nombreux autres produits chimiques, cette recherche a le potentiel de transformer plusieurs industries, des produits pharmaceutiques à l’agriculture.
Plus d’informations :
Synthèse évolutive de catalyseurs à grappes de Cu via ablation par étincelle pour la conversion électrochimique hautement sélective du CO2 en acétaldéhyde, Synthèse naturelle (2025). DOI : 10.1038/s44160-024-00705-3