Une équipe de chimistes de l’Université d’Oxford a annoncé une première mondiale dans la production de produits chimiques fluorés sans l’utilisation de gaz d’hydrogène fluoré, une substance dangereuse. Ce procédé, détaillé cette semaine dans la revue Science, pourrait avoir des répercussions majeures sur l’amélioration de la sécurité et la réduction de l’empreinte carbone d’une industrie en expansion mondiale.
Les produits chimiques fluorés constituent un groupe de produits chimiques aux applications diverses et cruciales. Ils sont en effet utilisés dans la fabrication de polymères, d’agrochimiques, de produits pharmaceutiques, et même dans les batteries lithium-ion que l’on trouve dans nos smartphones et voitures électriques. En 2018, leur marché mondial s’élevait à 21,4 milliards de dollars.
Actuellement, tous les produits chimiques fluorés sont produits à partir du gaz d’hydrogène fluoré (HF), substance toxique et corrosive, par un procédé hautement énergivore. Malgré des réglementations de sécurité strictes, des accidents liés à des fuites de HF sont survenus à plusieurs reprises au cours des dernières décennies, parfois avec des conséquences mortelles et des impacts environnementaux négatifs.
Une nouvelle méthode inspirée de la nature
Devant la nécessité de trouver une alternative plus sûre, l’équipe de l’Université d’Oxford, en collaboration avec FluoRok, une entreprise issue de l’Université d’Oxford, de l’University College de Londres et de l’Université d’État du Colorado, s’est inspirée du processus naturel de biominéralisation qui forme les dents et les os.
Normalement, le HF est produit en réagissant un minéral cristallin appelé fluorspar (CaF2) avec de l’acide sulfurique dans des conditions sévères. Il est ensuite utilisé pour fabriquer des produits chimiques fluorés. Dans la nouvelle méthode, ils sont fabriqués directement à partir de CaF2, évitant complètement la production de HF : une réalisation que les chimistes ont cherchée pendant des décennies.
Une méthode de production respectueuse de l’environnement
Dans la méthode innovante, le CaF2 solide 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 a broyé le CaF2 avec du sel de phosphate de potassium en poudre dans une machine à billes pendant plusieurs heures, en utilisant un processus mécano-chimique qui a évolué à partir de la manière traditionnelle de broyer les épices avec un mortier et un pilon.
Le produit en poudre résultant, appelé Fluoromix, a permis la synthèse de plus de 50 produits chimiques fluorés différents directement à partir de CaF2, avec un rendement allant jusqu’à 98%. La méthode développée a le potentiel de rationaliser la chaîne d’approvisionnement actuelle et de réduire les besoins énergétiques, contribuant ainsi à atteindre les objectifs futurs de durabilité et à réduire l’empreinte carbone de l’industrie.
L’utilisation directe de CaF2 pour la fluorination est un saint Graal dans le domaine, et une solution à ce problème a été cherchée pendant des décennies. La transition vers des méthodes durables pour la fabrication de produits chimiques, avec un impact réduit ou nul sur l’environnement, est aujourd’hui un objectif de haute priorité 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 n’importe où dans le monde universitaire et l’industrie, de minimiser les émissions de carbone par exemple en raccourcissant les chaînes d’approvisionnement, et d’offrir une fiabilité accrue à la lumière de la fragilité des chaînes d’approvisionnement mondiales
Professeur Gouverneur
Nouveau chapitre pour la production de produits chimiques fluorés
De plus, le processus solide développé était tout aussi efficace avec du fluorspar de grade acide (> 97%, CaF2) qu’avec du CaF2 de grade réactif synthétique. 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 fondée en 2022 qui s’appuie sur des décennies de recherche dans les laboratoires de l’auteur principal, le professeur Véronique Gouverneur FRS, du Département de Chimie, Université d’Oxford.
FluoRok utilise sa technologie propriétaire pour exploiter directement les déchets fluorés ou le minéral fluorite naturel comme source pour obtenir des composés à haute valeur ajoutée qui sont essentiels à la transition énergétique mondiale, à notre approvisionnement alimentaire global et à notre santé.
L’activation mécano-chimique de CaF2 avec un sel de phosphate était une invention passionnante parce que ce processus apparemment simple représente une solution très efficace à un problème complexe ; cependant, de grandes questions sur le fonctionnement de cette réaction sont restées. La collaboration a été la clé 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 multidisciplinaires et d’expertise, je pense que le travail capture vraiment l’importance de cela.
Calum Patel, doctorant au Département de Chimie et l’un des principaux auteurs de l’étude
En synthèse
Cette percée dans la chimie des produits chimiques fluorés s’inscrit dans un mouvement plus large vers une production plus sûre et plus durable de ces composés essentiels. Non seulement cette méthode évite l’utilisation de gaz d’hydrogène fluoré dangereux, mais elle offre également la possibilité de réduire considérablement l’empreinte carbone de l’industrie.
Pour une meilleure compréhension
La production traditionnelle de produits chimiques fluorés nécessite l’utilisation de gaz d’hydrogène fluoré (HF), un gaz dangereux et toxique. Cette nouvelle méthode développée à l’Université d’Oxford permet de produire ces composés chimiques directement à partir d’un minéral appelé fluorspar, éliminant ainsi le besoin d’HF. C’est une avancée majeure qui pourrait transformer cette industrie et la rendre plus sûre et plus durable.
Illustration artistique du processus de broyage à billes à l’origine de la nouvelle méthode de production de produits chimiques fluorés. Crédit photo : Calum Patel.
