Une écume organique mystérieuse augmente l’efficacité des réactions chimiques et peut réduire les déchets chimiques – Technoguide

Les fabricants de produits chimiques utilisent fréquemment des solvants toxiques tels que les alcools et le benzène pour fabriquer des produits comme les produits pharmaceutiques et les plastiques. Les chercheurs examinent un phénomène jusque-là négligé et mal compris dans les réactions chimiques utilisées pour fabriquer ces produits. Cette découverte apporte une nouvelle compréhension fondamentale de la chimie catalytique et un tremplin vers des applications pratiques qui pourraient un jour rendre la fabrication de produits chimiques moins gaspilleuse et plus écologique.

L’étude menée par David Flaherty, chercheur à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, à l’Université du Minnesota, Matthew Neurock, chercheur à Twin Cities, et Ayman Karim, chercheur à Virginia Tech, est publiée dans la revue Science.

La combinaison de solvants et de nanoparticules métalliques accélère de nombreuses réactions chimiques et aide à maximiser le rendement et les marges bénéficiaires de l’industrie chimique. Cependant, de nombreux solvants sont toxiques et difficiles à éliminer en toute sécurité, ont déclaré les chercheurs. L’eau fonctionne aussi, mais elle n’est pas aussi efficace ou fiable que les solvants organiques. On pensait que la raison de la différence était la solubilité limitée de certains réactifs dans l’eau. Cependant, de multiples irrégularités dans les données expérimentales ont conduit l’équipe à réaliser que les raisons de ces différences n’étaient pas entièrement comprises.

Pour mieux comprendre le processus, l’équipe a mené des expériences pour analyser la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène – un ensemble utilisant de l’eau, un autre avec du méthanol et d’autres avec des mélanges d’eau et de méthanol. Toutes les expériences ont utilisé des nanoparticules de palladium.

«Dans des expériences avec du méthanol, nous avons observé une décomposition spontanée du solvant qui laisse un résidu organique, ou écume, à la surface des nanoparticules», a déclaré Flaherty, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Illinois. “Dans certains cas, le résidu en forme d’écume s’accroche aux nanoparticules et augmente les taux de réaction et la quantité de peroxyde d’hydrogène formée au lieu de gêner la réaction. Cette observation nous a amenés à nous demander comment cela pourrait aider.”

L’équipe a découvert que le résidu, ou médiateur redox de surface, contient des espèces contenant de l’oxygène, y compris un composant clé hydroxyméthyle. Il s’accumule à la surface des nanoparticules de palladium et ouvre de nouvelles voies de réaction chimique, rapporte l’étude.

“Une fois formé, le résidu fait partie du cycle catalytique et est probablement responsable de certaines des différentes efficacités parmi les solvants rapportés au cours des 40 dernières années de travail sur cette réaction”, a déclaré Flaherty. «Nos travaux fournissent des preuves solides que ces médiateurs redox de surface se forment dans les solvants alcooliques et qu’ils peuvent expliquer de nombreux mystères passés pour cette chimie.

En travaillant avec plusieurs types d’expériences et de simulations informatiques, l’équipe a appris que ces médiateurs redox transfèrent efficacement les protons et les électrons aux réactifs, alors que les réactions dans l’eau pure transfèrent facilement des protons, mais pas des électrons. Ces médiateurs modifient également la surface des nanoparticules d’une manière qui abaisse la barrière énergétique à surmonter pour le transfert de protons et d’électrons, rapporte l’étude.

«Nous montrons que les solvants alcooliques ainsi que les additifs organiques peuvent réagir pour former des médiateurs de surface liés au métal qui agissent à peu près de la même manière que les cofacteurs enzymatiques de notre corps catalysent les réactions d’oxydation et de réduction», a déclaré Neurock.

De plus, ces travaux peuvent avoir des implications pour réduire les quantités de solvant utilisées et les déchets générés dans l’industrie chimique.

“Nos recherches suggèrent que dans certaines situations, les producteurs de produits chimiques pourraient former les médiateurs redox de surface en ajoutant de petites quantités d’un additif à l’eau pure au lieu de pomper des milliers de gallons de solvants organiques à travers ces réacteurs”, a déclaré Flaherty.

L’Institut de l’énergie et des biosciences par le biais du programme EBI-Shell et la National Science Foundation ont soutenu cette recherche.

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