Une illustration artistique du processus de broyage à billes derrière la méthode nouvellement développée pour générer des produits chimiques fluorés. 1 crédit
Les chercheurs ont mis au point une méthode plus sûre et plus écologique pour produire des produits chimiques fluorés, éliminant l’utilisation de fluorure d’hydrogène gazeux dangereux. La nouvelle technique, inspirée des processus de biominéralisation, pourrait révolutionner l’industrie de la fluorochimie et a conduit à la création d’une société, FluoRok, pour commercialiser la technologie.
- Pour la première fois, les chimistes d’Oxford ont généré des produits chimiques fluorés – essentiels pour de nombreuses industries – sans utiliser de fluorure d’hydrogène gazeux dangereux.
- La méthode innovante a été inspirée par le processus de biominéralisation qui forme nos dents et nos os.
- Les résultats ont été publiés dans la principale revue Science.
Une équipe de chimistes a mis au point une méthode entièrement nouvelle pour générer des produits chimiques fluorés d’importance critique qui contourne le gaz dangereux de fluorure d’hydrogène (HF). Les conclusions, publiées le 20 juillet dans Sciencepourrait avoir un impact immense sur l’amélioration de la sécurité et de l’empreinte carbone d’une industrie mondiale en pleine croissance.
Les produits chimiques fluorés sont un groupe de produits chimiques qui ont un large éventail d’applications importantes – y compris les polymères, les produits agrochimiques, les produits pharmaceutiques et les batteries lithium-ion des smartphones et des voitures électriques – avec un marché mondial de 21,4 milliards de dollars en 2018. Actuellement, tous les produits chimiques fluorés sont générés à partir de le fluorure d’hydrogène (HF), un gaz toxique et corrosif, dans un processus très énergivore. Malgré des réglementations de sécurité strictes, des déversements de HF se sont produits à de nombreuses reprises au cours des dernières décennies, entraînant parfois des accidents mortels et des effets néfastes sur l’environnement.
Pour développer une approche plus sûre, une équipe de chimistes de l’Université d’Oxford aux côtés de collègues de la spin-out d’Oxford FluoRok, de l’University College London et de la Colorado State University, s’est inspirée du processus naturel de biominéralisation qui forme les dents et les os. Normalement, HF lui-même est produit en faisant réagir un minéral cristallin appelé spath fluor (CaF2) avec de l’acide sulfurique acide dans des conditions difficiles, avant d’être utilisé pour fabriquer des produits chimiques fluorés. Dans la nouvelle méthode, les produits chimiques fluorés sont fabriqués directement à partir de CaF2en contournant complètement la production de HF : une réalisation recherchée par les chimistes depuis des décennies.
En utilisant des techniques de haute précision, telles que la diffraction des rayons X, les chercheurs ont débloqué des informations clés sur la composition du Fluoromix et les structures des espèces fluorées. Le diagramme montre les structures des constituants cristallins de Fluoromix, qui servent de réactifs de fluoration. Crédit : Prof. Michael Hayward
Dans la nouvelle méthode, CaF à l’état solide2 est activé par un processus inspiré de la biominéralisation, qui imite la façon dont les minéraux de phosphate de calcium se forment biologiquement dans les dents et les os. L’équipe terrain CaF2 avec du sel de phosphate de potassium en poudre dans un broyeur à boulets pendant plusieurs heures, en utilisant un processus mécanochimique qui a évolué à partir de la manière traditionnelle de moudre les épices avec un pilon et un mortier.
Le produit en poudre obtenu, appelé Mélange fluoréa permis la synthèse de plus de 50 composés fluorés différents directement à partir de CaF2, avec jusqu’à 98% de rendement. La méthode développée a le potentiel de rationaliser la chaîne d’approvisionnement actuelle et de réduire les besoins en énergie, contribuant ainsi à atteindre les futurs objectifs de durabilité et à réduire l’empreinte carbone de l’industrie.
Fait intéressant, le procédé à l’état solide développé était tout aussi efficace avec le spath fluor de qualité acide (> 97 %, CaF2) comme c’était le cas avec CaF de qualité réactif synthétique2. Le processus représente un changement de paradigme pour la fabrication de produits chimiques fluorés à travers le monde et a conduit à la création de FluoRok, une entreprise dérivée axée sur la commercialisation de cette technologie et le développement de fluorations sûres, durables et rentables. Les chercheurs espèrent que cette étude encouragera les scientifiques du monde entier à proposer des solutions perturbatrices à des problèmes chimiques difficiles, avec la perspective d’un bénéfice sociétal.
Calum Patel, du Département de chimie, Université d’Oxfordet l’un des principaux auteurs de l’étude, déclare :
« Activation mécanochimique de CaF2 avec un sel de phosphate était une invention passionnante car ce procédé apparemment simple représente une solution très efficace à un problème complexe ; cependant, de grandes questions sur le fonctionnement de cette réaction demeuraient. La collaboration a été essentielle pour répondre à ces questions et faire progresser notre compréhension de ce nouveau domaine inexploré de la chimie du fluor. Les solutions réussies aux grands défis proviennent d’approches et d’expertises multidisciplinaires, je pense que le travail en saisit vraiment l’importance.
L’auteur principal, la professeure Véronique Gouverneur FRS, du Département de chimie de l’Université d’Oxford, qui a conçu et dirigé cette étude, déclare :
« L’utilisation directe de CaF2 car la fluoration est un Saint Graal dans le domaine, et une solution à ce problème est recherchée depuis des décennies. La transition vers des méthodes durables de fabrication de produits chimiques, avec un impact réduit ou nul sur l’environnement, est aujourd’hui un objectif prioritaire qui peut être accéléré avec des programmes ambitieux et une refonte totale des processus de fabrication actuels. Cette étude représente une étape importante dans cette direction car la méthode développée à Oxford a le potentiel d’être mise en œuvre partout dans le monde universitaire et industriel, de minimiser les émissions de carbone, par exemple en raccourcissant les chaînes d’approvisionnement, et d’offrir une fiabilité accrue compte tenu de la fragilité des chaînes d’approvisionnement mondiales. ”
À propos de l’équipe
Calum Patel a obtenu sa maîtrise en chimie à collège impérial de Londres, et a travaillé à l’Université de la Colombie-Britannique et à F. Hoffmann La Roche à Bâle sur la fluoration tardive. Il s’intéresse vivement au développement de nouvelles méthodes de fluoration dans le cadre du groupe de recherche Gouverneur de l’Université d’Oxford.
Le professeur Véronique Gouverneur FRS est professeur de chimie Waynflete à l’Université d’Oxford. Elle a obtenu un doctorat en chimie à l’Université Catholique de Louvain (LLN, Belgique) et a effectué un stage postdoctoral au Scripps Research Institute (Californie, États-Unis). Elle a ensuite occupé un poste à l’Université Louis Pasteur de Strasbourg (France) et a débuté sa carrière de chercheuse indépendante à l’Université d’Oxford en 1998. Elle a reçu de nombreux prix et distinctions pour ses recherches (Arthur C. Cope Award 2022, Moissan Prize 2021 , membre honoraire international de l’Académie américaine des arts et des sciences) et compte plus de 220 publications évaluées par des pairs et 15 brevets.
Le professeur Michael Hayward est professeur de chimie inorganique et chargé de cours au Somerville College. Il a complété son D.Phil. à Oxford en 1999 et après avoir effectué une période de recherche postdoctorale à université de Princeton il est retourné à Oxford en 2002, d’abord en tant que chercheur de la Royal Society University et JRF au Merton College, avant d’être nommé à une bourse du Somerville College en 2004. Ses recherches portent sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux composés à l’état solide.
