Des produits chimiques et des matériaux fabriqués sont nécessaires pour pratiquement tous les aspects de la vie quotidienne, des produits pharmaceutiques vitaux aux plastiques, aux carburants et aux engrais. Pourtant, la fabrication de ces produits chimiques importants a un coût énergétique abrupte.
Beaucoup de ces produits chimiques industriels proviennent principalement de matériaux à base de combustibles fossiles. Ces composés sont généralement très stables, ce qui rend difficile de les transformer en produits utiles sans appliquer des conditions de réaction sévères et exigeantes.
En conséquence, la transformation de ces matériaux obstinés contribue de manière significative à la consommation d'énergie globale du monde. En 2022, le secteur industriel a consommé 37% de l'énergie totale mondiale, l'industrie chimique responsable d'environ 12% de cette demande.
Les processus de fabrication chimique conventionnels utilisent la chaleur pour générer l'énergie nécessaire pour les réactions qui se produisent à des températures et des pressions élevées. Une approche qui utilise la lumière au lieu de la chaleur pourrait réduire les demandes d'énergie et permettre l'exécuter des réactions dans des conditions plus douces, comme à température ambiante au lieu d'une chaleur extrême.
La lumière du soleil représente l'une des sources d'énergie les plus abondantes mais sous-utilisées sur Terre. Dans la nature, cette énergie est capturée par la photosynthèse, où les plantes convertissent la lumière en énergie chimique. Inspiré par ce processus, notre équipe de chimistes du Center for Sustainable Photoredox Catalysisy, un centre de recherche financé par la National Science Foundation, a travaillé sur un système qui utilise des réactions de lumière pour alimenter couramment utilisées dans l'industrie de la fabrication de produits chimiques. Nous avons publié nos résultats dans la revue Science en juin 2025.
Nous espérons que cette méthode pourrait fournir une voie plus économique pour créer des produits chimiques industriels à partir de combustibles fossiles. Dans le même temps, car il ne reposait pas sur des températures ou des pressions très élevées, le processus est plus sûr, avec moins de chances d'accidents.
Comment fonctionne notre système?
Le système de catalyseur photooredox que notre équipe a développé est alimenté par des LED simples, et il fonctionne efficacement à température ambiante.
Au cœur de notre système se trouve un catalyseur photo-ooreux organique: une molécule spécialisée que nous connaissons accélère les réactions chimiques lorsqu'elles sont exposées à la lumière, sans être consommées dans le processus.
Tout comme la façon dont les plantes s'appuient sur des pigments pour récolter la lumière du soleil pour la photosynthèse, notre catalyseur photooredox absorbe plusieurs particules de lumière, appelées photons, dans une séquence.
Ces photons fournissent des éclats d'énergie, que le catalyseur stocke puis utilise pour lancer des réactions. Cette récolte «multi-photons» renforce suffisamment d'énergie pour forcer les molécules très tenaces en réactions en cours qui auraient autrement besoin de métaux hautement réactifs. Une fois la réaction terminée, le photocatalyseur se réinitialise, prêt à récolter plus de lumière et à maintenir le processus sans créer de déchets supplémentaires.
La conception de molécules qui peuvent absorber plusieurs photons et réagir avec des molécules tenaces est difficile. Un grand défi est qu'après qu'une molécule a absorbé un photon, elle n'a qu'une infime fenêtre de temps avant que cette énergie ne disparaisse ou ne se perde. De plus, vous assurer que la molécule utilise cette énergie de la bonne façon n'est pas facile. La bonne nouvelle est que nous avons constaté que notre catalyseur peut le faire efficacement à température ambiante.
Activer la fabrication de produits chimiques plus verts
Notre travail pointe vers un avenir où les produits chimiques sont fabriqués à l'aide de la lumière au lieu de la chaleur. Par exemple, notre catalyseur peut transformer le benzène – une composante simple du pétrole brut – dans une forme appelée cyclohexadiènes. Il s'agit d'une étape clé pour fabriquer les éléments constitutifs du nylon. L'amélioration de cette partie du processus pourrait réduire l'empreinte carbone de la production en nylon.
Imaginez les fabricants utilisant des réacteurs LED ou même la lumière du soleil pour alimenter la production de produits chimiques essentiels. Les LED utilisent toujours l'électricité, mais elles ont besoin de beaucoup moins d'énergie par rapport aux méthodes de chauffage traditionnelles utilisées dans la fabrication de produits chimiques. Au fur et à mesure que nous réduisons les choses, nous trouvons également des moyens d'exploiter directement la lumière du soleil, ce qui rend l'ensemble du processus encore plus durable et économe en énergie.
À l'heure actuelle, nous utilisons nos catalyseurs photooredoxes avec succès dans de petites expériences en laboratoire – produisant juste des milligrammes à la fois. Mais pour passer à la fabrication commerciale, nous devons montrer que ces catalyseurs peuvent également fonctionner efficacement à une échelle beaucoup plus grande, faisant des kilogrammes ou même des tonnes de produits. Les tester dans ces réactions plus importantes garantira qu'ils sont fiables et suffisamment rentables pour la fabrication chimique du monde réel.
De même, la mise à l'échelle de ce processus nécessiterait des réacteurs à grande échelle qui utilisent efficacement la lumière. La construction de ceux-ci nécessitera d'abord la conception de nouveaux types de réacteurs qui permettent à la lumière d'atteindre plus profondément à l'intérieur. Ils devront être plus transparents ou construits différemment afin que la lumière puisse facilement atteindre toutes les parties de la réaction.
Notre équipe prévoit de continuer à développer de nouvelles techniques légères inspirées par l'efficacité de la nature. La lumière du soleil est une ressource abondante, et en trouvant de meilleures façons de contourner, nous espérons rendre plus facile et plus propre pour produire les produits chimiques et les matériaux dont dépend la vie moderne.
