Le monde a besoin de moyens plus écologiques pour fabriquer des produits chimiques. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison démontrent une voie potentielle vers cet objectif en adaptant les technologies des piles à combustible à hydrogène. Ces technologies sont déjà utilisées pour alimenter certains véhicules électriques, ordinateurs portables et téléphones portables.
« L’industrie chimique est une énorme consommatrice d’énergie, et il y a une forte pression pour décarboner l’industrie », explique Shannon Stahl, professeur au département de chimie UW-Madison qui a guidé une grande partie de la recherche. « L’électricité renouvelable peut fournir de l’énergie pour produire des produits chimiques avec une empreinte carbone beaucoup plus faible que la combustion de combustibles fossiles. »
Le procédé conventionnel utilise de grandes quantités de zinc métallique comme source d’électrons, mais la manipulation du zinc est compliquée et génère de grandes quantités de déchets nocifs pour l’environnement. En collaboration avec des scientifiques du fabricant pharmaceutique Merck & Co. Inc., les chimistes et ingénieurs de l’UW-Madison ont cherché à développer une méthode plus durable pour fabriquer les ingrédients nécessaires à la fabrication de nombreux types de médicaments.
Dans leur recherche d’un processus alternatif, les chercheurs se sont inspirés des piles à combustible à hydrogène, qui utilisent l’hydrogène gazeux comme source d’électrons pour produire de l’électricité.
« Le processus avec lequel nous travaillons a besoin d’une source verte d’électrons », explique Stahl. « Nous avons réalisé que la technologie des piles à combustible pouvait être modifiée pour fabriquer des produits chimiques plutôt que de l’électricité »,
L’hydrogène gazeux est un choix idéal à bien des égards, selon Stahl. Il peut être généré à partir d’électricité renouvelable et crée très peu de déchets. Le développement d’une méthode basée sur l’hydrogène pour fabriquer des produits pharmaceutiques s’aligne sur un regain d’intérêt pour une « économie de l’hydrogène ».
« Ce travail est lié à un effort plus large visant à créer une infrastructure d’hydrogène qui va au-delà des piles à combustible et de la production d’énergie », explique Mathew Johnson, chercheur postdoctoral au département de chimie qui a dirigé l’étude. « Ces travaux montrent que l’hydrogène peut être combiné à l’électricité pour fabriquer de nouveaux médicaments. »
Les chercheurs ont développé un système qui utilise un type de composé organique appelé quinone pour éloigner les électrons de l’hydrogène. Une caractéristique importante de ce processus est qu’il fonctionne bien en l’absence d’eau. Les piles à combustible ont généralement besoin d’eau pour fonctionner efficacement, mais l’eau peut interférer avec les étapes utilisées pour fabriquer les ingrédients du médicament.
Le système utilise ensuite l’électricité pour surcharger les électrons, leur donnant plus d’énergie que l’hydrogène ne pourrait normalement fournir.
L’équipe, qui comprenait le chercheur postdoctoral Jack Twilton, le professeur de chimie Daniel Weix et le professeur de génie chimique et biologique Thatcher Root, a décrit son nouveau système dans un article publié le 21 août dans la revue Nature. Ils montrent comment il peut être utilisé pour fabriquer des dizaines de molécules organiques importantes, y compris un grand lot d’un ingrédient pharmaceutique.
L’équipe travaille maintenant à améliorer le processus afin qu’il puisse être utilisé pour une production à l’échelle industrielle. Et Stahl et ses collaborateurs voient des opportunités encore plus grandes pour cette technologie.
« Il s’agit d’une technologie largement applicable pour la production chimique », déclare Johnson. « De nombreux processus chimiques ont besoin d’électrons. Cela ne se limite pas aux produits pharmaceutiques. Il devrait s’agir d’une technologie très polyvalente. »
Plus d’information:
Jack Twilton et al, Anode à hydrogène médiée par la quinone pour l’électrosynthèse réductrice non aqueuse, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06534-2