Des chercheurs des villes jumelles de l'Université du Minnesota ont découvert une nouvelle méthode par laquelle un catalyseur peut être utilisé pour brûler sélectivement une molécule dans un mélange d'hydrocarbures, qui sont des composés en hydrogène et des atomes de carbone.
Cette nouvelle méthode pourrait aider à l'élimination des polluants et améliorer l'efficacité des processus industriels, allant de la production de carburants et de médicaments aux engrais et aux plastiques.
La recherche est publiée dans Science.
En utilisant un catalyseur d'oxyde de bismuth – une substance qui accélère une réaction chimique – les chercheurs peuvent brûler sélectivement une molécule dans un mélange de combustibles. Les chercheurs ont montré que vous pouvez combattre efficacement même de petites quantités d'acétylène dans des mélanges avec de l'éthylène. L'élimination de l'acétylène est un processus crucial pour empêcher l'empoisonnement des catalyseurs de polymérisation, ce qui est vital pour la production de plastiques en polyéthylène, un marché qui dépasse 120 millions de tonnes métriques par an.
« Personne d'autre n'a montré que vous pourriez combattre un hydrocarbure présent à de faibles concentrations, dans des mélanges avec d'autres », a déclaré Aditya Bhan, professeur distingué de l'Université McKnight au Département de génie chimique et en science des matériaux et enquêteur de plomb sur le journal.
Conventionnellement, les processus de combustion sont utilisés pour brûler tous les mélanges de carburant d'hydrocarbures à des températures élevées pour produire de la chaleur. L'utilisation d'un catalyseur a permis aux chercheurs de relever le défi de brûler une molécule mais pas des autres. Le catalyseur d'oxyde de bismuth est unique car il fournit son propre oxygène pendant la combustion, plutôt que d'utiliser de l'oxygène à partir d'une source extérieure, dans un processus appelé boucle chimique.
« Nous avons pu retirer l'oxygène du catalyseur et le remettre plusieurs fois, où le catalyseur change légèrement, mais sa réactivité n'est pas impactée. En fonctionnant dans ce mode de boucle chimique évite les problèmes d'inflammabilité », a déclaré Matthew Jacob, une université de l'Université de Minnesota Chemical Engineering Ph.D. candidat et premier auteur sur le journal.
Traditionnellement, éliminer les petites concentrations de contaminants est très difficile et à forte intensité d'énergie, mais cette nouvelle méthode pourrait fournir une alternative plus économe en énergie.
« Vous voulez faire ce processus de manière sélective. La suppression de l'acétylène et d'autres contaminants d'hydrocarbures traces de cette manière pourrait être plus économe en énergie », a déclaré Matthew Neurock, professeur au département de génie chimique et en science des matériaux et co-auteur principal sur le journal. « Vous voulez juste pouvoir entrer dans un mélange de gaz pour éliminer certaines molécules sans toucher le reste des molécules. »
Les chercheurs ont déclaré que l'impact à long terme pourrait être élevé parce que les catalyseurs sont utilisés dans à peu près tout ce que nous touchons dans la société moderne – de la production de carburants et de médicaments aux engrais et aux plastiques. Comprendre comment les molécules combattent – et ne combustent pas – sur les surfaces du catalyseur est précieuse pour rendre la production de carburants et de plastiques plus efficace.
« Si nous pouvons comprendre comment fonctionne un catalyseur, au niveau atomique moléculaire, nous pouvons l'adapter à une réaction particulière », a déclaré Simon Bare, un scientifique distingué au SLAC National Accelerator Laboratory de l'Université de Stanford, et co-auteur de l'étude . « Cela peut nous aider à comprendre comment les catalyseurs, qui produisent des carburants et des produits chimiques nécessaires dans la vie moderne, réagissent à leur environnement. »
En plus de Bhan, Jacob, Neurrock et Bare, l'équipe du département de génie chimique et de science des matériaux de l'Université du Minnesota comprenait des étudiants diplômés Rishi Raj et Huy Nguyen et le professeur Andre Mkhoyan, ainsi que Javier Garcia-Barriocanal de l'Université du Minnesota. . Les membres supplémentaires de l'équipe comprenaient Jiyun Hong, Jorge E. Perez-Aguilar et Adam S. Hoffman du SLAC National Accelerator Laboratory à l'Université de Stanford.
