Libérer le pouvoir de l'or : une percée dans la chimie verte
Des chercheurs ont découvert une puissante synergie entre l'or, le manganèse et le cuivre qui pourrait transformer la façon dont nous produisons des produits chimiques précieux
L'acétaldéhyde est un intermédiaire chimique clé traditionnellement produit par le processus d'oxydation de Wacker basé sur l'éthylène, qui est à la fois coûteux et nocif pour l'environnement. L'oxydation sélective du bioéthanol en acétaldéhyde offre une alternative plus verte et plus durable, mais la plupart des catalyseurs rapportés se heurtent au compromis habituel entre l'activité et la sélectivité, produisant généralement moins de 90 % d'acétaldéhyde.
Des chercheurs ont découvert une puissante synergie entre l'or, le manganèse et le cuivre qui pourrait transformer la façon dont nous produisons des produits chimiques précieux. En plaçant de minuscules nanoparticules d'or sur un matériau pérovskite spécialement conçu (LaMn0,75Cu0,25O3), l'équipe a obtenu un rendement impressionnant de 95 % d'acétaldéhyde à partir d'éthanol à seulement 225 °C, ce qui constitue une étape importante vers des processus chimiques plus propres et plus efficaces. Le secret réside dans l'utilisation intelligente du cuivre. Une petite quantité de Cu améliore considérablement le catalyseur en créant des sites actifs qui accélèrent l'étape la plus difficile de la réaction. Mais il y a un hic : une trop grande quantité de cuivre déstabilise le système et en réduit l'efficacité. Cet équilibre délicat souligne l'importance de la conception au niveau atomique des catalyseurs de la prochaine génération pour une fabrication chimique durable.
Chinese Journal of Catalysis
Liu et Hensen ont notamment démontré une synergie spécifique Au0-Cu+ dans le catalyseur de pointe Au/MgCuCr2O4, permettant d'obtenir plus de 95 % d'acétaldéhyde à 250oCavec une performance stable pendant plus de 500 heures (J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14032 ; J. Catal. 2015, 331, 138 ; J. Catal. 2017, 347, 45). Malgré cette avancée significative réalisée il y a plus d'une décennie, la recherche de catalyseurs plus efficaces, non toxiques et capables de promouvoir l'oxydation sélective de l'éthanol à des températures plus basses reste un défi majeur.
Récemment, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Peng Liu (Huazhong University of Science and Technology) et le professeur Emiel J.M. Hensen (Eindhoven University of Technology) a fait état de progrès significatifs dans l'oxydation sélective de l'éthanol. Ils ont développé une série de catalyseurs Au/LaMnCuO3 avec différents rapports Mn/Cu, parmi lesquels la composition Au/LaMn0,75Cu0,25O3 présentait un effet synergique prononcé entre les nanoparticules d'or et la pérovskite LaMnO3 modérément dopée au Cu. Cette synergie a permis une oxydation efficace de l'éthanol en dessous de 250oC, surpassant le catalyseur Au/MgCuCr2O4 précédemment comparé. Les résultats ont été publiés dans le Chinese Journal of Catalysis.
Pour améliorer l'efficacité de la conversion du bioéthanol en acétaldéhyde, un produit chimique précieux utilisé dans les plastiques et les produits pharmaceutiques, les chercheurs ont mis au point une nouvelle classe de catalyseurs basés sur des matériaux pérovskites. Ces supports ont été synthétisés à l'aide d'une méthode de combustion sol-gel, puis recouverts de nanoparticules d'or. En ajustant le rapport entre le manganèse et le cuivre dans la structure de la pérovskite, l'équipe a identifié une composition optimale (Au/LaMn0,75Cu0,25O3) qui a permis d'obtenir un rendement élevé en acétaldéhyde de 95 % à 225 °C et de maintenir une performance stable pendant 80 heures. Les catalyseurs ayant une teneur en cuivre plus élevée étaient moins efficaces, en grande partie parce que le cuivre a tendance à perdre sa forme active au cours de la réaction. L'amélioration des performances du catalyseur optimisé est liée à une interaction coopérative entre les ions d'or, de manganèse et de cuivre.
Pour mieux comprendre comment ces éléments fonctionnent ensemble, les chercheurs ont utilisé des techniques de calcul avancées, notamment la théorie de la fonctionnelle de la densité et les simulations microcinétiques. Ces études ont révélé que le dopage du cuivre dans la pérovskite crée des sites actifs à proximité des particules d'or qui contribuent à activer plus efficacement les molécules d'oxygène et d'éthanol. Le catalyseur optimisé présente également une barrière énergétique plus faible pour les étapes clés de la réaction, ce qui rend le processus plus efficace. Les résultats expérimentaux et théoriques soulignent l'importance d'affiner la composition du catalyseur pour obtenir de meilleures performances.
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