Une équipe de recherche combine deux catalyseurs pour rendre la production chimique courante plus sûre et plus respectueuse de l’environnement

L’industrie chimique a longtemps été assombrie par des images indésirables de cheminées gonflées et de canalisations rejetant des effluents toxiques. Les pratiques de fabrication modernes ont beaucoup contribué à atténuer l’impact environnemental de l’industrie, mais des améliorations restent possibles.

Rendre la chimie plus respectueuse de l’environnement est une passion et un axe de recherche majeur pour Karthish Manthiram de Caltech, professeur de génie chimique et de chimie et boursier William H. Hurt.

Dans un article paru dans la revue Sciencele laboratoire de Manthiram décrit le développement d’un catalyseur permettant de produire une matière première chimique largement utilisée sans les produits chimiques toxiques et dangereux normalement nécessaires à sa production.

Cette matière première chimique, l’oxyde de propylène, est un composé organique utilisé dans diverses applications, notamment la fabrication de mousses, de plastiques et d’antigels, ainsi que pour la désinfection et la stérilisation. Traditionnellement, l’oxyde de propylène est produit en faisant réagir du propylène avec de l’acide hypochloreux ou du peroxyde d’hydrogène. Chacun a son propre inconvénient.

« Avec l’acide hypochloreux, vous vous retrouvez avec un produit secondaire chlorure que vous rejetez dans l’environnement. Pour cette raison, il y a de moins en moins de permis accordés pour autoriser les usines qui utilisent le procédé à l’acide hypochloreux », explique Manthiram. « Cela a obligé les gens à se tourner vers des procédés à base de peroxyde, mais cela représente un énorme défi en matière de sécurité. Chaque fois que du peroxyde d’hydrogène entre en contact avec des composés organiques, il existe un risque d’explosion imminent. »

L’objectif du groupe était de développer une méthode sûre de production d’époxyde de propylène qui ne produisait pas de rejet dans l’environnement ni n’aurait une empreinte carbone importante. Manthiram explique que l’équipe a commencé par rechercher un catalyseur capable de produire de l’époxyde de propylène en utilisant l’atome d’oxygène présent dans une molécule d’eau. Le seul produit secondaire serait l’hydrogène gazeux, qui peut être utilisé comme carburant ou dans la fabrication d’autres produits chimiques.

« Le principe était que l’eau est sûre », dit-il. « Cela ne présente pas de danger intrinsèque pour la sécurité et le processus ne produit aucun produit secondaire nocif pour l’environnement. Au lieu de cela, vous produisez de l’hydrogène, ce que nous devons produire davantage à l’avenir. C’est là que nous avons commencé. « 

Le groupe s’est concentré sur deux catalyseurs : l’oxyde de platine et l’oxyde de palladium. Les deux ont effectué la réaction souhaitée par l’équipe, mais pas suffisamment bien pour être utiles. L’oxyde de platine produisait de l’époxyde de propylène à des taux élevés, mais de manière désordonnée, créant de nombreux produits secondaires indésirables. En revanche, l’oxyde de palladium produisait de l’époxyde de propylène avec moins de produits secondaires, mais plutôt lentement.

Manthiram affirme que la solution consistait à combiner les deux catalyseurs.

« Réunir les deux a fini par résoudre le problème », déclare Minju Chung, auteur principal et ancien chercheur postdoctoral au Georgia Institute of Technology, aujourd’hui au MIT. « Ensuite, nous avons passé beaucoup de temps à comprendre pourquoi ce mélange fonctionne mieux. Ce n’est pas une explication simple. »

Grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X (une technique permettant de révéler la structure atomique et électronique des matériaux en les bombardant de rayons X), les chercheurs ont déterminé que dans un mélange d’oxyde de platine et d’oxyde de palladium, le platine existe dans un état qui le rend c’est un catalyseur plus efficace.

« Il s’avère que l’un des effets les plus spectaculaires du passage de l’oxyde de platine au palladium-oxyde de platine est que vous pouvez stabiliser le platine dans un état d’oxydation plus élevé », explique Manthiram. « Lorsqu’il se trouve dans un état d’oxydation plus élevé, l’oxygène attaché au platine est plus privé d’électrons, ce qui le rend plus réactif avec le propylène riche en électrons. Nous constatons à travers toute une série d’expériences que la stabilisation du platine dans un état d’oxydation plus élevé conduit à une réduction significative de l’oxygène dans le platine. taux et efficacités améliorés de l’époxydation du propylène.

Grâce au nouveau catalyseur, le taux de production d’oxyde de propylène est 10 fois supérieur à celui obtenu auparavant et l’efficacité est augmentée de 13 pour cent, explique Manthiram.

Manthiram affirme que les recherches futures se concentreront sur les tests du catalyseur pour voir comment il peut être transféré d’un laboratoire à un environnement industriel. Cela nécessitera des analyses examinant combien de temps dure le catalyseur avant de se dégrader et ses performances à plus grande échelle, ainsi que le développement d’un processus permettant d’éliminer l’époxyde de propylène du système au fur et à mesure de sa production.

« Il est temps de sortir ce matériel de ce contexte scientifique fondamental », dit-il. « Cela va être vraiment éclairant pour nous car cela nous montrera quelles sont les prochaines choses sur lesquelles nous devrions travailler. »

Le document décrivant le travail, « Époxydation directe du propylène via activation de l’eau sur des électrocatalyseurs Pd-Pt« , paraît dans le numéro du 4 janvier de Science.