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« Une possibilité sans précédent » : les métaux liquides bouleversent les processus de génie chimique vieux d’un siècle

SciTechDaily

Une nouvelle technique utilisant des métaux liquides comme catalyseurs promet de révolutionner l’industrie chimique en permettant des réactions chimiques à basse température et économes en énergie, réduisant potentiellement les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d’énergie. Ci-dessus, du gallium liquide dans une boîte de Pétri. Crédit : Université de Sydney/Philip Ritchie

L’industrie chimique se trouve confrontée à une « possibilité sans précédent » de modifier l’avenir des processus chimiques.

Les métaux liquides pourraient être la solution tant attendue pour « écologiser » l’industrie chimique, selon des chercheurs qui ont testé une nouvelle technique qu’ils espèrent pouvoir remplacer les processus de génie chimique énergivores remontant au début du 20ème siècle.

Environ 10 à 15 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre proviennent de la fabrication de produits chimiques. De plus, les usines chimiques consomment plus de 10 % de l’énergie mondiale.

Des résultats récemment publiés dans Nature Nanotechnologie offrent une innovation indispensable qui s’éloigne des anciens catalyseurs énergivores fabriqués à partir de matériaux solides. La recherche est dirigée par le professeur Kourosh Kalantar-Zadeh, chef du Université de Sydneyde l’École de génie chimique et biomoléculaire, et le Dr Junma Tang, qui travaille conjointement à l’Université de Sydney et à l’UNSW.

Génération de propylène à partir de gallium liquide. Crédit : Dr Junma Tang

Un catalyseur est une substance qui accélère et facilite les réactions chimiques sans participer à la réaction. Les catalyseurs solides, généralement des métaux solides ou des composés solides de métaux, sont couramment utilisés dans l’industrie chimique pour fabriquer des plastiques, des engrais, des carburants et des matières premières.

Cependant, la production chimique utilisant des procédés solides est gourmande en énergie et nécessite des températures pouvant atteindre mille degrés centigrades.

Le nouveau procédé utilise plutôt des métaux liquides, en l’occurrence en dissolvant l’étain et le nickel, ce qui leur confère une mobilité unique, leur permettant de migrer à la surface des métaux liquides et de réagir avec des molécules d’entrée telles que l’huile de canola. Cela entraîne la rotation, la fragmentation et le réassemblage des molécules d’huile de canola en chaînes organiques plus petites, notamment le propylène, un carburant à haute énergie crucial pour de nombreuses industries.

Seringue de gallium liquide

Placer du gallium liquide dans une boîte de Pétri via une seringue. Crédit : Université de Sydney/Philip Ritchie

« Notre méthode offre une possibilité sans précédent à l’industrie chimique de réduire la consommation d’énergie et de rendre les réactions chimiques plus écologiques », a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh.

« On s’attend à ce que le secteur chimique soit responsable de plus de 20 % des émissions d’ici 2050 », a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh. « Mais l’industrie chimique est beaucoup moins visible que d’autres secteurs – un changement de paradigme est vital. »

Comment fonctionne le processus

Les atomes des métaux liquides sont disposés de manière plus aléatoire et ont une plus grande liberté de mouvement que les solides. Cela leur permet d’entrer facilement en contact et de participer à des réactions chimiques. « En théorie, ils peuvent catalyser des produits chimiques à des températures beaucoup plus basses, ce qui signifie qu’ils nécessitent beaucoup moins d’énergie », a déclaré le professeur Kalantar-Zadeh.

Dans leurs recherches, les auteurs ont dissous du nickel et de l’étain à point de fusion élevé dans un métal liquide à base de gallium dont le point de fusion n’est que de 30 degrés centigrades.

Junma Tang, Arifur Rahim, Kourosh Kalantar Zadeh

Dr Junma Tang (à gauche), Dr Arifur Rahim (au centre) et professeur Kourosh Kalantar-Zadeh (à droite). Crédit : Université de Sydney/Philip Ritchie

« En dissolvant le nickel dans le gallium liquide, nous avons eu accès au nickel liquide à très basse température – agissant comme un « super » catalyseur ». En comparaison, le point de fusion du nickel solide est de 1 455 degrés centigrades. Le même effet, dans une moindre mesure, est également ressenti pour l’étain métallique dans le gallium liquide », a déclaré le Dr Tang.

Les métaux étaient dispersés dans des solvants métalliques liquides au niveau atomique. «Nous avons donc accès à desatome catalyseurs. Un seul atome représente la surface d’accessibilité la plus élevée pour la catalyse, ce qui offre un avantage remarquable à l’industrie chimique », a déclaré le Dr Arifur Rahim, auteur principal et boursier DECRA à l’École de génie chimique et biomoléculaire.

Les chercheurs ont déclaré que leur formule pourrait également être utilisée pour d’autres réactions chimiques en mélangeant des métaux à l’aide de processus à basse température.

« La catalyse nécessite une température si basse que nous pourrions même théoriquement le faire dans la cuisine avec une table de cuisson à gaz – mais n’essayez pas cela à la maison », a déclaré le Dr Tang.

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