Des chimistes de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une méthode durable pour électrosynthétiser le 1,3-butadiène, une matière première utilisée pour la production de caoutchouc synthétique, à partir de l’acétylène.
Réduire les besoins énergétiques et l’impact environnemental de la production de molécules multi-carbones est essentiel pour faire progresser une industrie chimique plus durable.
Une approche clé est l’électrification, qui utilise l’électricité renouvelable pour convertir des matières premières simples telles que l’eau et le dioxyde de carbone (CO2) en produits chimiques et carburants précieux.
Pour y parvenir, il faut identifier des molécules cibles claires et des voies de synthèse efficaces. L’une de ces cibles est le 1,3-butadiène. Aujourd’hui, le 1,3-butadiène est produit comme sous-produit mineur aux côtés de l’éthylène issu du craquage du naphta ou de l’éthane, qui nécessite beaucoup d’énergie. Malgré cela, plus de 18 millions de tonnes de cette matière première essentielle sont produites chaque année.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Yeo Boon Siang, Jason du Département de chimie de NUS, a découvert que les catalyseurs au cuivre, après une simple modification avec des anions iodure, sont très efficaces pour convertir l’acétylène en 1,3-butadiène. Les conclusions ont été publié dans la revue Catalyse naturelle.
Le catalyseur était capable de produire du 1,3-butadiène avec un rendement faradique de 93 % à -0,85 V par rapport à l’électrode à hydrogène standard (SHE) et une densité de courant partielle de -75 mA cm-2 à -1,0 V par rapport à SHE.
La densité de courant partielle du 1,3-butadiène, indicateur de l’activité catalytique, était au moins 20 fois supérieure à celle rapportée dans des études précédentes.
Cette recherche a été menée en collaboration avec le Dr Federico CALLE-VALLEJO de la Fondation Basque pour la Science et de l’Université du Pays Basque, toutes deux en Espagne.
L’équipe comprenait également le Dr Wei Jie Teh du Département de chimie de NUS, M. Eleonora Romeo et le professeur Francesc Illas de l’Université de Barcelone, en Espagne, le Dr Ben Rowley de Shell Global Solutions International BV et le Dr Shibo Xi de l’Institut de durabilité pour la chimie, l’énergie et l’environnement, Agence pour la science, la technologie et la recherche.
Une caractérisation approfondie du catalyseur à l’aide de spectroscopies in situ et de simulations informatiques utilisant la théorie fonctionnelle de la densité a révélé que l’iodure favorise des ensembles stables de sites Cu neutres et partiellement oxydés (sites Cuδ + – Cu0), qui améliorent le couplage carbone-carbone (C – C) de *Intermédiaires C2H3 pour former du 1,3-butadiène.
Le professeur Yeo a déclaré : « Ce travail est le fruit d’une collaboration intense entre expérimentateurs et théoriciens, ainsi que notre partenaire industriel, pour découvrir comment des produits chimiques importants, tels que le 1,3-butadiène, pourraient être produits de manière plus durable. »
En s’appuyant sur les résultats de leurs travaux, l’équipe de recherche prévoit de développer des catalyseurs capables de coupler l’acétylène à des hydrocarbures à chaîne plus longue, qui pourraient potentiellement être utilisés comme carburant d’aviation.
Plus d’informations :
Wei Jie Teh et al, Électroréduction sélective de l’acétylène en 1,3-butadiène sur des sites Cuδ + – Cu0 induits par l’iodure, Catalyse naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41929-024-01250-0