Un nouveau catalyseur permet de faciliter le recyclage, la valorisation et la biodégradation des plastiques à usage unique.

Les chercheurs ont créé un nouveau catalyseur qui transforme les hydrocarbures en produits chimiques et en matériaux de plus grande valeur, plus faciles à recycler et biodégradables dans l'environnement. Ce catalyseur transforme des matériaux tels que l'huile de moteur, les plastiques des sacs d'épicerie à usage unique, des bouteilles d'eau ou de lait et de leurs bouchons, et même le gaz naturel. Il a été mis au point par une équipe de scientifiques dirigée par Aaron Sadow, chercheur au laboratoire national d'Ames, directeur de l'Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) et professeur de chimie à l'université d'État de l'Iowa.

Le nouveau catalyseur est conçu pour introduire des groupes fonctionnels dans les hydrocarbures aliphatiques. Les hydrocarbures aliphatiques sont des composés organiques constitués uniquement d'hydrogène et de carbone. Ils ne se mélangent généralement pas à l'eau, mais créent des couches distinctes, en partie parce qu'ils ne contiennent pas de groupes fonctionnels. Les groupes fonctionnels sont des regroupements spécifiques d'atomes au sein de molécules qui présentent des caractéristiques uniques. L'ajout de groupes fonctionnels à ces chaînes d'hydrocarbures peut modifier radicalement leurs propriétés et rendre les matériaux recyclables.

"Le méthane présent dans le gaz naturel est le plus simple des hydrocarbures, il ne comporte que des liaisons carbone-hydrogène (CH). Les huiles et les polymères ont des chaînes d'atomes de carbone, reliées par des liaisons carbone-carbone (CC)", explique M. Sadow.

Les hydrocarbures aliphatiques constituent une grande partie du pétrole et des produits pétroliers raffinés, tels que les plastiques et les huiles de moteur. Ces matériaux "n'ont pas d'autres groupes fonctionnels, ce qui signifie qu'ils ne sont pas faciles à biodégrader", a déclaré Sadow. "C'est donc un objectif de longue date dans le domaine de la catalyse que de pouvoir prendre ces types de matériaux et d'y ajouter d'autres atomes, comme l'oxygène, ou de construire de nouvelles structures à partir de ces produits chimiques simples."

Malheureusement, la manière conventionnelle d'ajouter des atomes aux chaînes d'hydrocarbures nécessite des apports énergétiques considérables. Tout d'abord, le pétrole est "craqué" par la chaleur et la pression en petits blocs de construction. Ensuite, ces blocs de construction sont utilisés pour faire croître les chaînes. Enfin, les atomes souhaités sont ajoutés à l'extrémité des chaînes. Dans cette nouvelle approche, les hydrocarbures aliphatiques existants sont convertis directement sans craquage et à basse température.

L'équipe de Sadow a précédemment utilisé un catalyseur pour briser les liaisons CC dans ces chaînes d'hydrocarbures et a simultanément fixé de l'aluminium aux extrémités des plus petites chaînes. Ensuite, ils ont inséré de l'oxygène ou d'autres atomes pour introduire des groupes fonctionnels. Pour développer un procédé complémentaire, l'équipe a trouvé un moyen d'éviter l'étape de rupture des liaisons CC. "Selon la longueur de la chaîne du matériau de départ et les propriétés souhaitées du produit, nous pourrions vouloir raccourcir les chaînes ou simplement ajouter le groupe fonctionnel oxygène", a déclaré Sadow. "Si nous pouvions éviter le clivage CC, nous pourrions, en principe, simplement transférer les chaînes du catalyseur à l'aluminium, puis ajouter de l'air pour installer le groupe fonctionnel."

Sadow a expliqué que le catalyseur est synthétisé en attachant un composé de zirconium disponible dans le commerce sur de la silice-alumine disponible dans le commerce. Les substances sont toutes abondantes sur terre et peu coûteuses, ce qui est bénéfique pour les futures applications commerciales potentielles.

En outre, le catalyseur et le réactif sont avantageux en termes de durabilité et de coût. L'aluminium est le métal le plus abondant sur terre, et le réactif aluminium utilisé est synthétisé sans créer de sous-produits de déchets. Le précurseur de catalyseur à base d'alkoxyde de zirconium est stable à l'air, facilement disponible et activé dans le réacteur. "Ainsi, contrairement à une grande partie de la chimie organométallique précoce qui est extrêmement sensible à l'air, ce précurseur de catalyseur est facile à manipuler", a déclaré Sadow.

Cette chimie est une étape vers la possibilité d'affecter les propriétés physiques d'une variété de plastiques, par exemple en les rendant plus résistants et plus faciles à colorer. "Au fur et à mesure que nous développons la catalyse, nous espérons pouvoir incorporer de plus en plus de groupes fonctionnels pour modifier les propriétés physiques des polymères", a déclaré M. Sadow.

Sadow a attribué le succès de ce projet à la nature collaborative d'iCOUP. Le groupe de Perras au laboratoire national d'Ames a étudié les structures des catalyseurs à l'aide de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les groupes de Coates, LaPointe et Delferro de l'université Cornell et de l'Argonne National Laboratory ont étudié la structure et les propriétés physiques des polymères. Et le groupe de Peters, de l'université de l'Illinois, a modélisé statistiquement la fonctionnalisation des polymères. "La réussite des projets du centre repose sur la contribution de l'expertise de nombreux groupes", a déclaré M. Sadow. "Ce travail met en évidence les avantages de la science en équipe."