Une technique simple utilisant de petites quantités d’énergie pourrait augmenter l’efficacité de certaines réactions chimiques clés, jusqu’à un facteur de 100 000, rapportent des chercheurs du MIT. Ces réactions sont au cœur du traitement pétrochimique, de la fabrication pharmaceutique et de nombreux autres processus chimiques industriels.
Les résultats surprenants sont signalé aujourd’hui dans la revue Sciencedans un article rédigé par Karl Westendorff, étudiant diplômé du MIT, les professeurs Yogesh Surendranath et Yuriy Roman-Leshkov, et deux autres.
« Les résultats sont vraiment frappants », déclare Surendranath, professeur de chimie et de génie chimique. Des augmentations de vitesse de cette ampleur ont déjà été observées, mais dans une classe différente de réactions catalytiques appelées demi-réactions redox, qui impliquent le gain ou la perte d’un électron. Les taux considérablement augmentés rapportés dans la nouvelle étude « n’ont jamais été observés pour des réactions qui n’impliquent pas d’oxydation ou de réduction », dit-il.
Les réactions chimiques non rédox étudiées par l’équipe du MIT sont catalysées par des acides. “Si vous êtes étudiant en première année de chimie, le premier type de catalyseur que vous découvrirez est probablement un catalyseur acide”, explique Surendranath. Il existe plusieurs centaines de ces réactions catalysées par l’acide, « et elles sont extrêmement importantes dans tout, depuis le traitement des matières premières pétrochimiques jusqu’à la fabrication de produits chimiques de base et la transformation de produits pharmaceutiques. La liste se rallonge de plus en plus.”
“Ces réactions sont essentielles à la fabrication de nombreux produits que nous utilisons quotidiennement”, ajoute Roman-Leshkov, professeur de génie chimique et de chimie.
Mais les personnes qui étudient les demi-réactions redox, également appelées réactions électrochimiques, font partie d’une communauté de recherche totalement différente de celle qui étudie les réactions chimiques non rédox, appelées réactions thermochimiques. En conséquence, même si la technique utilisée dans la nouvelle étude, qui consiste à appliquer une faible tension externe, était bien connue dans la communauté des chercheurs en électrochimie, elle n’avait pas été systématiquement appliquée aux réactions thermochimiques catalysées par un acide.
Selon Surendranath, les personnes travaillant sur la catalyse thermochimique « ne considèrent généralement pas » le rôle du potentiel électrochimique à la surface du catalyseur « et ne disposent souvent pas de bons moyens de le mesurer. Et ce que cette étude nous dit, c’est que des changements relativement faibles, de l’ordre de quelques centaines de millivolts, peuvent avoir des impacts énormes – des changements de plusieurs ordres de grandeur dans les taux de réactions catalysées sur ces surfaces.
« Ce paramètre négligé du potentiel de surface est quelque chose auquel nous devrions prêter beaucoup d’attention car il peut avoir un effet vraiment très démesuré », dit-il. “Cela change le paradigme de notre façon de penser la catalyse.”
Les chimistes pensent traditionnellement à la catalyse de surface basée sur l’énergie de liaison chimique des molécules aux sites actifs de la surface, ce qui influence la quantité d’énergie nécessaire à la réaction, explique-t-il. Mais les nouvelles découvertes montrent que l’environnement électrostatique est « tout aussi important dans la définition de la vitesse de la réaction ».
L’équipe a déjà déposé une demande de brevet provisoire sur certaines parties du processus et travaille sur les moyens d’appliquer les résultats à des processus chimiques spécifiques. Westendorff affirme que leurs résultats suggèrent que « nous devrions concevoir et développer différents types de réacteurs pour tirer parti de ce type de stratégie. Et nous travaillons actuellement à étendre ces systèmes.
Alors que leurs expériences ont jusqu’à présent été réalisées avec une électrode planaire bidimensionnelle, la plupart des réactions industrielles se déroulent dans des récipients tridimensionnels remplis de poudres. Les catalyseurs sont distribués à travers ces poudres, offrant ainsi une surface beaucoup plus grande pour que les réactions aient lieu. “Nous étudions comment la catalyse est actuellement réalisée dans l’industrie et comment nous pouvons concevoir des systèmes qui tirent parti de l’infrastructure déjà existante”, explique Westendorff.
Surendranath ajoute que ces nouvelles découvertes « soulèvent des possibilités alléchantes : s’agit-il d’un phénomène plus général ? Le potentiel électrochimique joue-t-il également un rôle clé dans d’autres classes de réactions ? Dans notre esprit, cela remodèle notre façon de concevoir la conception des catalyseurs et de promouvoir leur réactivité.
Roman-Leshkov ajoute que « traditionnellement, les personnes travaillant dans le domaine de la catalyse thermochimique n’associent pas du tout ces réactions aux processus électrochimiques. Cependant, l’introduction de cette perspective dans la communauté redéfinira la manière dont nous pouvons intégrer les caractéristiques électrochimiques dans la catalyse thermochimique. Cela aura un grand impact sur la communauté en général.
Bien qu’il y ait généralement eu peu d’interactions entre les chercheurs en catalyse électrochimique et thermochimique, Surendranath déclare : « Cette étude montre à la communauté qu’il y a vraiment un flou entre les deux communautés et qu’il existe une énorme opportunité de fertilisation croisée entre ces deux communautés. .»
Westerndorff ajoute que pour que cela fonctionne, « vous devez concevoir un système assez non conventionnel pour l’une ou l’autre communauté afin d’isoler cet effet ». Et cela explique en partie pourquoi un effet aussi spectaculaire n’a jamais été observé auparavant. Il note que même le rédacteur en chef de leur journal leur a demandé pourquoi cet effet n’avait pas été signalé auparavant. La réponse tient à « à quel point ces deux idéologies étaient disparates avant cela », dit-il. « Ce n’est pas seulement que les gens ne se parlent pas vraiment. Il existe de profondes différences méthodologiques entre la manière dont les deux communautés mènent leurs expériences. Et ce travail est vraiment, à notre avis, un grand pas en avant vers le rapprochement des deux. »
En pratique, les résultats pourraient conduire à une production beaucoup plus efficace d’une grande variété de matériaux chimiques, selon l’équipe. “Vous obtenez des changements de taux de plusieurs ordres de grandeur avec très peu d’apport d’énergie”, explique Surendranath. “C’est ce qui est incroyable là-dedans.”
Les résultats, dit-il, « donnent une image plus globale du fonctionnement des réactions catalytiques aux interfaces, que vous les classiez dans la catégorie des réactions électrochimiques ou des réactions thermochimiques ». Il ajoute qu’« il est rare de trouver quelque chose qui puisse réellement réviser notre compréhension fondamentale des réactions catalytiques de surface en général. Nous sommes très excités.
“Cette recherche est de la plus haute qualité”, déclare Costas Vayenas, professeur d’ingénierie à l’université de Patras, en Grèce, qui n’a pas participé à l’étude. Ces travaux « sont très prometteurs pour des applications pratiques, en particulier dans la mesure où ils étendent des travaux antérieurs sur les systèmes catalytiques redox », dit-il.
L’équipe comprenait le postdoctorant du MIT Max Hulsey PhD ’22 et l’étudiant diplômé Thejas Wesley PhD ’23, et était soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force et le Département américain de l’énergie des sciences énergétiques de base.
2024-02-15 22:00:00
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