Ingénierie d'un catalyseur alternatif à faible coût pour la production de produits pétrochimiques durables
Des méthodes nouvellement identifiées pour exploiter les propriétés du carbure de tungstène pourraient constituer des substituts viables aux métaux précieux
Annonces
D'importants produits de la vie quotidienne, des plastiques aux détergents, sont fabriqués par le biais de réactions chimiques qui utilisent principalement des métaux précieux tels que le platine comme catalyseurs. Les scientifiques recherchent depuis des années des substituts plus durables et moins coûteux, et le carbure de tungstène - un métal abondant sur Terre utilisé couramment pour les machines industrielles, les outils de coupe et les burins - est un candidat prometteur.
L'évolution de la cémentation (représentée par les sphères) sous contrôle cinétique (illustrée par les contours de la surface). Les faisceaux moléculaires représentent l'évolution du gaz dans les conditions de synthèse, tandis que la sphère enflammée met en évidence la formation de la phase de semi-carbure de tungstène pur, avec des faisceaux moléculaires supplémentaires au sommet pour illustrer sa performance catalytique.
Illustration by Sinhara M. H. D. Perera
Mais le carbure de tungstène possède des propriétés qui ont limité ses applications. Marc Porosoff, professeur associé au département d'ingénierie chimique et de durabilité de l'université de Rochester, et ses collaborateurs ont récemment réalisé plusieurs avancées majeures pour faire du carbure de tungstène une alternative plus viable au platine dans les réactions chimiques.
La meilleure rotation de phase
Sinhara Perera, doctorante en génie chimique dans le laboratoire de Porosoff, explique que le carbure de tungstène est un catalyseur difficile à utiliser pour la production de produits de valeur parce que ses atomes peuvent être disposés dans de nombreuses configurations différentes, connues sous le nom de phases.
"Il n'y a pas eu de compréhension claire de la structure de la surface du carbure de tungstène parce qu'il est vraiment difficile de mesurer la surface catalytique à l'intérieur des chambres où se déroulent ces réactions chimiques", explique Perera.
Dans une étude publiée dans ACS Catalysis, Porosoff, Perera et Eva Ciuffetelli '27, étudiante de premier cycle en génie chimique, ont surmonté ce problème en manipulant très soigneusement les particules de carbure de tungstène à l'échelle nanométrique dans le réacteur chimique, une cuve où les températures peuvent atteindre plus de 700 degrés Celsius. À l'aide d'un processus appelé carburation programmée en fonction de la température, ils ont créé des catalyseurs en carbure de tungstène dans la phase souhaitée à l'intérieur du réacteur, ont effectué la réaction, puis ont étudié les versions les plus performantes.
"Certaines phases sont plus stables d'un point de vue thermodynamique, et c'est donc là que le catalyseur veut se retrouver", explique M. Porosoff. "Mais d'autres phases moins stables sur le plan thermodynamique sont plus efficaces en tant que catalyseurs.
Les chercheurs ont identifié une phase particulière -β-W₂C - qui fonctionne particulièrement bien pour une réaction qui transforme le dioxyde de carbone en précurseurs importants pour la fabrication de produits chimiques et de combustibles utiles. Grâce à une mise au point plus poussée par l'industrie, M. Porosoff et son équipe pensent que cette phase du carbure de tungstène pourrait être aussi efficace que le platine, sans les inconvénients d'un coût élevé et d'un approvisionnement limité.
Recyclage du plastique
M. Porosoff et ses collègues ont également étudié le carbure de tungstène en tant que catalyseur pour le recyclage des déchets plastiques et la transformation des vieux plastiques en nouveaux produits de haute qualité. Une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society, dirigée par Linxao Chen de l'Université du Nord Texas et soutenue par Porosoff et Siddharth Deshpande, professeur adjoint à l'URochester, a montré comment le carbure de tungstène peut être utilisé dans un processus appelé hydrocraquage.
Non seulement le carbure de tungstène était moins coûteux que les catalyseurs en platine pour l'hydrocraquage, mais il était aussi plus de dix fois plus efficace.
L'hydrocraquage consiste à prendre de grosses molécules telles que le polypropylène - la base des bouteilles d'eau et de nombreuses autres formes de plastique - et à les décomposer chimiquement en molécules plus petites qui peuvent être utilisées pour de nouveaux produits. Si l'hydrocraquage a été utilisé pour le raffinage du pétrole et du gaz, son application au traitement des déchets plastiques a posé des problèmes en raison de la grande stabilité des chaînes de polymères qui composent la plupart des plastiques à usage unique et de la présence de contaminants qui désactivent les catalyseurs. Les métaux précieux, tels que le platine, qui sont actuellement utilisés comme catalyseurs se désactivent rapidement et sont supportés par des surfaces microporeuses qui n'ont pas de place pour les longues chaînes de polymères des plastiques à usage unique.
"Le carbure de tungstène, lorsqu'il est fabriqué avec la bonne phase, possède des propriétés métalliques et acides qui lui permettent de briser les chaînes de carbone de ces polymères", explique M. Porosoff. "Ces chaînes de polymères volumineuses peuvent interagir avec le carbure de tungstène beaucoup plus facilement car elles n'ont pas de micropores qui limitent l'utilisation des catalyseurs classiques à base de platine.
L'étude a montré que le carbure de tungstène était non seulement moins coûteux que les catalyseurs à base de platine pour l'hydrocraquage, mais qu'il était aussi plus de dix fois plus efficace. Selon les chercheurs, cette découverte ouvre de nouvelles voies intéressantes pour améliorer les catalyseurs et transformer les déchets plastiques en nouveaux matériaux, favorisant ainsi l'économie circulaire.
Prendre la température
Ces progrès dans la création de catalyseurs plus efficaces reposent sur la capacité à mesurer avec précision les températures à la surface des catalyseurs. Les réactions chimiques peuvent soit absorber de la chaleur (endothermique), soit en libérer (exothermique), et le contrôle de la température à la surface du catalyseur permet aux scientifiques de coordonner efficacement plusieurs réactions. Mais les mesures actuellement utilisées pour déterminer la température des catalyseurs donnent des moyennes approximatives qui ne sont pas assez nuancées pour mesurer avec précision les conditions requises pour étudier efficacement les réactions chimiques.
En utilisant des techniques de mesure optique développées dans le laboratoire d'Andrea Pickel, professeur invité au département de génie mécanique, les chercheurs ont conçu une nouvelle façon de mesurer la température dans les réacteurs chimiques. Ils ont décrit cette nouvelle technique dans une étude publiée dans EES Catalysis.
"Cette étude nous a appris qu'en fonction du type de chimie, la température mesurée à l'aide de ces mesures en vrac peut être décalée de 10 à 100 degrés Celsius", explique M. Porosoff. "C'est une différence très importante dans les études catalytiques où l'on essaie de s'assurer que les mesures sont reproductibles et que plusieurs réactions peuvent être couplées.
L'équipe a appliqué sa nouvelle technique pour étudier les catalyseurs en tandem, où une réaction exothermique fournit suffisamment de chaleur pour déclencher une réaction endothermique. Le couplage efficace de ces réactions peut minimiser la chaleur perdue et conduire à des processus de génie chimique plus efficaces.
Selon M. Porosoff, cette technique pourrait également contribuer à modifier la manière dont les chercheurs mènent leurs études sur la catalyse, ce qui permettrait d'obtenir des mesures plus précises, des travaux reproductibles et des résultats plus solides dans l'ensemble du domaine.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
