Illuminant des atomes uniques pour la production de propylène durable

Plus de 150 millions de tonnes métriques de propylène sont produites chaque année, ce qui en fait l’un des produits chimiques les plus répandus utilisés dans l’industrie chimique.

Le propylène est la base du polypropylène, un polymère utilisé dans tout, des dispositifs médicaux à l’emballage en passant par les articles ménagers. Mais la plupart du propylène est produit par une fissuration à la vapeur, un processus à haute énergie qui utilise la chaleur pour décomposer le pétrole brut en hydrocarbures plus petits.

Maintenant, les chimistes de l’Université du Nord-Ouest ont trouvé un moyen de créer du propylène en utilisant la lumière. Leurs résultats montrent qu’un catalyseur photoactif nanogénéré peut faire du propylène directement par un processus appelé déshydrogénation non oxydante du propane (PDH).

L’équipe a constaté qu’elle pouvait catalyser la réaction pour créer du propylène et de l’hydrogène à partir de propane avec un processus chimique basé sur la lumière. S’il est adopté à grande échelle, le processus pourrait entraîner une baisse des émissions de l’industrie chimique, une étape importante vers la décarbonisation industrielle.

Les résultats sont publiés aujourd’hui dans le Journal de l’American Chemical Society. Les premiers auteurs comprennent l’étudiante diplômée Emma-Rose Newmeyer et le chercheur postdoctoral Yicheng Wang.

“Le propylène est un géant de l’industrie chimique, et maintenant nous montrons que nous pouvons faire des réactions plus douces que celles généralement utilisées”, a déclaré le Sweareur Dayne de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Cela prouve que nous pouvons tirer parti des nanoparticules des concepteurs dans nos progrès vers un avenir plus durable. Si l’industrie pouvait utiliser une source d’énergie renouvelable comme la lumière dans ces processus catalytiques, cela pourrait réduire encore plus les demandes d’énergie globales.”

Faire du propylène en canalisant la lumière sur des atomes simples

Pour faire du propylène, les scientifiques doivent décomposer les liaisons carbone-hydrogène au niveau moléculaire. “Cela ne semble pas trop dur car il y a des liaisons hydrogènes carbone partout, mais ce sont des liaisons très stables qui sont difficiles à briser”, a déclaré Sweater.

En raison de l’augmentation de la disponibilité du gaz naturel aux États-Unis grâce à des ressources de schiste, l’idée de PDH en tant que processus de fabrication de propylène est devenue plus populaire. Non seulement cela pourrait être potentiellement moins cher, mais cela pourrait également réduire le besoin de ressources de pétrole brut et aider la transition vers les énergies renouvelables.

Pourtant, les scientifiques ont eu du mal à trouver les bons catalyseurs de ce processus qui réduiraient l’impact environnemental.

Pour leur étude, Sweater et son équipe ont testé une idée inexplorée: conduire la réaction avec un type spécial de nanoparticules qui absorbe la lumière mais a également des endroits bien définis où un seul atome catalyse la réaction. L’équipe a créé un alliage de cuivre et de platine – une combinaison connue pour être un bon catalyseur thermique – et a testé ce qui s’est passé lorsqu’il a brillé de lumière.

Ils ont constaté que lorsqu’ils sont activés avec un laser, les nanoparticules étaient devenues excitées et ont catalysé la réaction pour créer du propylène.

L’équipe a expérimenté différentes quantités de platine alliée, ainsi que la couleur et l’intensité de la lumière. Ils ont constaté que lorsqu’ils incluaient des atomes de platine isolés dans des nanoparticules de cuivre, la structure a canalisé la lumière vers les atomes de platine isolés, permettant à la liaison hydrogène carbone pour se briser plus facilement.

“C’est cette entonnoir de l’énergie de la lumière sur des atomes uniques qui permet à cette réaction de se produire”, a déclaré Sweater.

Et bien qu’ils aient testé des systèmes avec plus de platine, les structures qui ne comprenaient que des atomes de platine uniques fonctionnaient le mieux – ce qui signifie ce processus n’aurait besoin que d’une petite quantité de métal précieux “sans sacrifier la réactivité et la sélectivité”, a déclaré Newmeyer.

Un bonus supplémentaire: le processus crée également de l’hydrogène en même temps, offrant un sous-produit précieux secondaire.

Une économie d’énergie potentielle pour l’industrie

L’équipe a également constaté qu’ils pouvaient réduire la température globale de 50 degrés Celsius (des températures de fonctionnement standard) et obtenir le même taux de conversion. Cela signifie que si ce processus était adopté par l’industrie, cela pourrait entraîner des économies d’énergie majeures.

“Il a le potentiel d’avoir un impact fortement sur les émissions associées à la fabrication de produits chimiques en réduisant les températures auxquelles ces processus à l’échelle industrielle fonctionnent”, a déclaré Newmeyer.

Ensuite, l’équipe espère continuer à développer ce catalyseur et à les tester avec d’autres processus qui sont importants pour fabriquer les éléments constitutifs de l’industrie chimique.

“Il y a beaucoup de place pour explorer l’utilisation de ces alliages d’atome unique axés sur la lumière pour générer différentes réactions”, a déclaré Sweater.