Une équipe démontre la liaison halogène pour la séparation électrochimique sélective, une voie vers un traitement chimique durable

Grâce à un nouveau polymère qui n’attire que certaines substances des solutions lorsqu’il est activé électriquement, les chercheurs ont fait un grand pas vers la séparation chimique durable.

Une équipe basée à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a rapporté la première démonstration d’une séparation électrochimique sélective pilotée par liaison halogène dans la revue JACS Au.

Ils y sont parvenus en créant un polymère qui module la densité de charge d’un atome d’halogène lorsqu’il est soumis à un courant électrique. Le polymère n’attire alors que certaines cibles – comme les halogénures, les oxyanions et même les molécules organiques – à partir de solutions organiques, une caractéristique qui a des implications importantes pour les produits pharmaceutiques et les processus de synthèse chimique.

« La séparation chimique revient à fabriquer une éponge qui absorbe uniquement le produit chimique souhaité dans un mélange », explique Xiao Su, professeur de génie chimique et biomoléculaire et responsable du projet. « Bien que la séparation électrochimique soit utilisée dans certains contextes, il peut être assez difficile de garantir qu’elle absorbe uniquement ce qui est nécessaire. Dans ce travail, nous avons fabriqué une « éponge électrique » au niveau moléculaire qui ne sélectionne que certains composants des mélanges. »

Dans les environnements industriels, la séparation chimique est souvent réalisée par des procédés thermiques ou par filtration membranaire, mais ces méthodes génèrent des déchets. Les alternatives basées sur des mécanismes électrochimiques permettraient de minimiser les déchets et de tirer parti des sources d’électricité durables. Bien que de tels mécanismes soient déjà utilisés dans des applications comme le dessalement, ils ne font aucune distinction entre les substances qu’ils attirent.

Les chercheurs ont obtenu une séparation électrique sélective grâce à une interaction chimique appelée liaison halogène, dans laquelle une molécule cible est attirée vers un polymère donneur d’halogène sensible à la redox par la forte charge positive partielle de l’atome d’halogène, appelée « trou sigma ».

L’équipe a exploité cette interaction en concevant un polymère contenant un atome d’iode halogène et du ferrocène, un centre redox actif qui module la force de liaison de l’iode lorsque de l’électricité externe est appliquée. Le trou sigma de l’iode est activé lorsque le ferrocène s’oxyde, créant une forte charge positive qui attire les ions chargés négativement.

« La liaison halogène est un domaine de la chimie fondamentale bien étudié, même s’il s’agit d’une niche, mais notre équipe est la première à s’emparer de ce concept et à l’utiliser pour développer une « éponge » fonctionnelle », a déclaré Nayeong Kim, étudiant diplômé du groupe de recherche de Su et auteur principal de l’étude. « La force de la liaison halogène est ce qui permet la sélectivité, car elle sélectionne les ions qui ont une forte affinité avec l’atome d’halogène. »

Le groupe de recherche de Su a conçu le polymère redox-actif puis l’a testé dans diverses solutions organiques. Après avoir découvert que le polymère pouvait effectivement sélectionner des ions spécifiques à partir d’un mélange, la présence de liaisons halogènes a été confirmée à l’aide d’expériences de résonance magnétique nucléaire et de diffusion Raman. Le groupe de Su a collaboré avec le professeur de génie chimique et biomoléculaire Alex Mironenko, qui a dirigé des recherches informatiques sur le polymère pour comprendre les mécanismes sous-jacents à l’activation du centre redox.

« Maintenant que nous avons démontré la séparation électrochimique moléculaire, les prochaines étapes consisteront à affiner et à mettre à l’échelle le procédé », a déclaré Su. « Cela comprend l’exploration de stratégies de mise à l’échelle, telles que le modèle en cascade, pour améliorer la pureté du produit final, la conception d’un système d’électrosorption continue, puis l’étude du procédé en dehors des conditions de laboratoire. »

Vijaya S. Jeyaraj, Johannes Elbert et Sung Jin Seo ont également contribué à ce travail.