Une équipe dirigée par l’Université Rice a révélé comment de minuscules structures moléculaires sur les catalyseurs industriels se comportent lors de la fabrication du monomère d’acétate de vinyle (VAM), un ingrédient fondamental des adhésifs, peintures, revêtements, emballages, textiles et de nombreux autres produits utilisés quotidiennement.
En montrant comment ces trimères et dimères de palladium-acétate se transforment dans les conditions réactionnelles et contrôlent les performances du catalyseur, ces travaux indiquent la voie vers des conceptions de catalyseurs qui pourraient réduire la consommation d’énergie, diminuer les émissions de carbone et rendre la production mondiale de VAM plus propre et plus fiable.
« L’acétate de vinyle est à la base d’une énorme partie de l’économie moderne des matériaux, donc de petits gains d’efficacité peuvent se traduire par des bénéfices environnementaux et économiques majeurs », a déclaré Michael Wong, auteur correspondant de l’étude, titulaire de la chaire Tina et Sunit Patel en nanotechnologie moléculaire et professeur de génie chimique et biomoléculaire à Rice. « En comprenant comment ces espèces de palladium-acétate se comportent, nous pouvons aider l’industrie à concevoir des catalyseurs qui utilisent moins d’énergie, génèrent moins de déchets et assurent une production plus stable sur le long terme. »
L’étude, publiée dans Nature Communications, a été menée en collaboration avec Celanese Corp., un leader mondial de la production de VAM, ainsi qu’avec des partenaires de l’Université Purdue et du Laboratoire national d’Oak Ridge.
Le VAM est produit en faisant réagir de l’éthylène, de l’oxygène et de l’acide acétique sur un catalyseur de palladium-or dopé à l’acétate de potassium. Les chercheurs ont créé des catalyseurs modèles simplifiés à base de palladium-acétate et les ont suivis dans des conditions de réaction réalistes à l’aide de techniques avancées de rayons X, de spectroscopie et de microscopie électronique, couplées à une modélisation computationnelle.
Ils ont montré que l’acétate de potassium stabilise des dimères spécifiques de palladium-acétate et modifie leur conversion en nanoparticules de palladium métallique. Lorsque ces nanoparticules restent petites et bien dispersées, le catalyseur devient à la fois plus actif et plus sélectif pour le VAM, réduisant les réactions secondaires indésirables qui brûlent des matières premières précieuses en dioxyde de carbone.
« Nous avons découvert qu’en ajustant ces espèces moléculaires, on peut modifier radicalement la façon dont le catalyseur utilise l’énergie et la quantité de produit précieux obtenue pour chaque molécule introduite », a expliqué Hunter Jacobs, co-premier auteur et ancien doctorant de Rice, maintenant au Laboratoire national d’Oak Ridge. « C’est exactement le type d’informations qui peut aider l’industrie à abaisser les températures de fonctionnement, réduire les émissions et optimiser les ressources. »
Le co-premier auteur Welman Curi-Elias, chercheur scientifique en génie chimique et biomoléculaire à Rice, a souligné que ce travail change la façon dont les chimistes considèrent ces espèces.
« Ces trimères et dimères étaient souvent considérés comme des espèces inactives ou des signes de désactivation », a déclaré Curi-Elias. « Nos résultats montrent qu’ils sont des acteurs dynamiques d’un cycle redox qui contrôle la taille des nanoparticules et, au final, l’efficacité et la propreté de la fabrication de l’acétate de vinyle. »
Des catalyseurs améliorés pour le VAM pourraient offrir une série d’avantages, notamment une consommation d’énergie réduite dans la fabrication chimique à grande échelle, moins de déchets de matières et d’émissions de gaz à effet de serre, des équipements industriels plus durables grâce à un comportement catalytique plus stable, ainsi qu’une tarification et un approvisionnement plus stables pour les matériaux essentiels utilisés dans les biens de consommation.
« Chaque gain en sélectivité signifie moins de matière première brûlée en dioxyde de carbone et davantage transformée en produits utiles », a ajouté Wong. « C’est bénéfique pour le climat, pour les fabricants et pour les personnes qui dépendent de ces matériaux au quotidien. »
Pour Celanese, qui exploite d’importantes installations de production de VAM, ces résultats offrent une feuille de route scientifique pour une fabrication plus durable.
« Cette recherche nous aide à voir exactement comment pousser les catalyseurs vers une efficacité supérieure et une plus longue durée de vie », a déclaré Kevin Fogash, directeur senior de la technologie des procédés chez Celanese. « Si nous pouvons produire la même quantité d’acétate de vinyle en utilisant moins d’énergie, avec moins de déchets et moins d’arrêts, cela profite à nos clients, à nos communautés et à l’environnement. Cela soutient également un approvisionnement et des prix plus prévisibles pour les nombreuses industries qui dépendent de ces matériaux. »
Le travail computationnel de l’équipe a montré que plusieurs espèces de palladium-acétate peuvent former activement de l’acétate de vinyle, mais que leur importance réelle réside dans la façon dont elles signalent et façonnent la croissance des nanoparticules. En d’autres termes, ces complexes moléculaires servent d’indicateurs sensibles de la santé du catalyseur et de guides pour concevoir les systèmes de nouvelle génération.
« Ce qui nous enthousiasme, c’est que nous avons désormais une image au niveau moléculaire qui est directement liée aux indicateurs qui importent à l’industrie : l’efficacité, la stabilité et l’impact environnemental », a conclu Wong.
Article : Dynamic behavior of molecular Pd-acetate trimers and dimers in heterogeneous vinyl acetate synthesis – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U.
