Un nouveau procédé prolonge le cycle de vie de catalyseurs précieux : Une option plus écologique pour les fabricants de produits chimiques

Imaginez une usine de recyclage typique. Imaginez maintenant que l'usine est un laboratoire de chimie, et que les canettes de soda écrasées et les piles de courrier indésirable à hauteur de la taille ont été remplacées par des structures microscopiques valant des dizaines de milliers de dollars par gramme.

Une équipe de chercheurs de l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign a mis au point une technique électrochimique de recyclage des catalyseurs homogènes de grande valeur dans le but de rendre l'industrie chimique plus verte, plus abordable et plus innovante.

Les catalyseurs homogènes sont des outils puissants très utilisés dans la fabrication de produits chimiques et pharmaceutiques.

"Ce qui rend [les catalyseurs homogènes] incroyablement précieux, c'est leur capacité unique à produire de grands volumes de produits chimiques et de produits de base à valeur ajoutée", a déclaré Xiao Su, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire, chercheur au Beckman Institute for Advanced Science and Technology et chercheur principal de l'étude.

La capacité de recycler les catalyseurs homogènes sans détruire leur activité chimique est un défi pour les chimistes et les ingénieurs chimistes depuis des décennies.

Généralement constitués de métaux du groupe du platine, l'utilisation continue de ces catalyseurs à partir de zéro nécessite de fréquentes extractions. Comme ces métaux du groupe du platine sont rares, leur utilisation doit être préservée, a déclaré M. Su.

Lors des réactions chimiques, les catalyseurs homogènes se retrouvent souvent dans des mélanges chimiques complexes et sont difficiles à séparer des autres composants. Les quelques méthodes existantes de recyclage des catalyseurs consomment beaucoup d'énergie, et leur recours à la chaleur tend à détruire la structure même du catalyseur tout en créant une importante empreinte carbone.

"À l'heure actuelle, de nombreuses industries ne recyclent pas du tout les catalyseurs homogènes en raison des coûts et de la complexité du processus ; elles se contentent de les jeter et de vivre avec les coûts", a déclaré M. Su. "Si le catalyseur est recyclé, le processus peut être très coûteux et inefficace, et la structure du catalyseur est souvent détruite. En général, le fardeau est placé du côté de l'exploitation minière, car il y a un besoin continu de plus de ces métaux de platine."

Le coût de l'exploitation minière persistante est absorbé par les entreprises de fabrication, les utilisateurs finaux et l'environnement en raison de la production accrue de déchets.

La méthode de recyclage proposée par les chercheurs, publiée dans Science Advances, consiste à appliquer un champ électrique à une surface adaptée de manière unique, appelée électrode redox. Les catalyseurs se séparent du mélange chimique dans lequel ils se trouvent et se lient à la surface sous l'effet du champ électrique, ce qui les retire de la réaction dans laquelle ils se trouvent et leur permet d'être recyclés. Pour réutiliser le catalyseur, un chimiste peut appliquer le champ électrique opposé à la surface de l'électrode redox pour libérer le catalyseur dans une nouvelle solution.

Grâce au procédé électrique, les catalyseurs peuvent être réutilisés pendant de nombreux cycles.

"Ce qui est génial dans notre méthode de recyclage, c'est qu'elle est purement électrique", a déclaré M. Su. "C'est un pas en avant pour rendre l'ensemble du processus de fabrication plus durable et faire en sorte que l'électricité alimente les choses au lieu de la chaleur."

La transition des intrants énergétiques à base de combustibles fossiles vers des intrants renouvelables pour faire fonctionner un tel système de recyclage soutient la vision de l'électrification des ingénieurs chimistes.

"Nous sommes ravis de voir ces applications électrochimiques relever les défis de la fabrication chimique", a déclaré M. Su. "À terme, nous aimerions voir un processus de fabrication chimique entièrement exempt de déchets et à haut rendement énergétique."

La possibilité de recycler les catalyseurs n'est pas seulement bénéfique pour l'environnement, elle favorise également l'innovation. Malgré l'existence de plusieurs catalyseurs homogènes, leur incapacité actuelle à être recyclés efficacement les rend très coûteux, ce qui limite leur utilisation industrielle à grande échelle.

"Ce que nous faisons maintenant, c'est rendre ces catalyseurs très puissants réalisables et bon marché pour des réactions importantes", a déclaré M. Su. "Si nous sommes capables de mettre en œuvre cette méthode simple de récupération des catalyseurs, notre technologie peut permettre de réaliser de nouvelles réactions qui sont autrement trop coûteuses. Nous espérons donc pouvoir ouvrir de nouvelles voies, plus écologiques, pour fabriquer des choses qui ne sont même pas possibles aujourd'hui."

Jusqu'à présent, les chercheurs de l'université ont fait la démonstration de leur processus de recyclage sur certains catalyseurs à base de métaux du groupe du platine. La prochaine étape consistera à appliquer la méthode à des classes plus larges de métaux du groupe du platine, ainsi qu'à d'autres catalyseurs de métaux du groupe de transition.

"En tant qu'ingénieurs chimistes, nous continuons à faire pression en faveur de l'efficacité énergétique, de la réduction de l'empreinte carbone et de la durabilité des processus chimiques, et ce projet constitue une étape vers cet objectif", a déclaré M. Su.