Recruter du manganèse pour améliorer le dioxyde de carbone – ScienceDaily

Le dioxyde de carbone (CO 2 ) est connu sous le nom de gaz à effet de serre et joue un rôle essentiel dans le changement climatique; Il n'est pas étonnant que les scientifiques recherchent des solutions pour éviter sa sortie dans l'environnement. Cependant, en tant que source de carbone peu coûteuse, facilement disponible et non toxique, au cours des dernières années, des efforts ont été déployés pour transformer le dioxyde de carbone en marchandises précieuses ou en «produits à valeur ajoutée».

Par exemple, le dioxyde de carbone permet le stockage de l'énergie en réagissant avec le gaz hydrogène – appelé processus d'hydrogénation – en transformant le mélange en composés liquides à énergie plus élevée tels que le méthanol qui peut être facilement transporté et utilisé comme carburant pour les voitures. De même, l'hydrogénation du dioxyde de carbone en présence d'autres produits chimiques peut conduire à la formation de divers produits à valeur ajoutée largement utilisés dans l'industrie tels que l'acide formique, les formamides ou le formaldéhyde. Ces produits chimiques peuvent également être utilisés pour le stockage de l'énergie car, par exemple, le chauffage de l'acide formique dans certaines conditions autorise la libération d'hydrogène gazeux de manière contrôlée et réversible.

La conversion du dioxyde de carbone en produits utiles est compliquée par le fait que le CO 2 est la forme de carbone le plus oxydé et, en tant que telle, une molécule très stable et non réactif. Par conséquent, la réaction directe du CO 2 avec de l'hydrogène nécessite une énergie élevée, rendant le processus économiquement défavorable. Ce problème peut être surmonté en utilisant des catalyseurs, qui sont des composés utilisés en petites quantités pour accélérer les réactions chimiques. Pour les composés de CO 2 les catalyseurs les plus connus sont à base de métaux précieux tels que l'iridium, le rhodium ou le ruthénium. Bien que d'excellents catalyseurs, la rareté de ces métaux précieux rend difficile leur utilisation à l'échelle industrielle. Ils sont également difficiles à recycler et potentiellement toxiques pour l'environnement. D'autres catalyseurs utilisent des métaux moins chers tels que le fer ou le cobalt, mais nécessitent une molécule à base de phosphore – appelée phosphine – entourant le métal. Les phosphines ne sont pas toujours stables autour de l'oxygène et parfois brûlent violemment dans une atmosphère d'air, ce qui pose un autre problème pour les applications pratiques.

Pour résoudre ces problèmes, l'unité de chimie et de catalyse de coordination OIST dirigée par le Prof. Julia Khusnutdinova a signalé dans ACS Catalysis des catalyseurs nouveaux et efficaces basés sur un métal peu coûteux et abondant: le manganèse. Le manganèse est le troisième métal le plus abondant dans la croûte terrestre après le titane et le fer, et présente une toxicité beaucoup plus faible par rapport à de nombreux autres métaux utilisés dans l'hydrogénation 2

.

Les scientifiques ont d'abord cherché de l'inspiration dans le monde naturel: l'hydrogénation est une réaction qui se produit dans de nombreux organismes qui n'auraient pas accès aux métaux précieux ou aux phosphines. Ils ont observé la structure des enzymes spécifiques – les hydrogénases – pour comprendre comment ils pourraient effectuer l'hydrogénation en utilisant des matériaux simples et abondants dans la Terre. Pour faciliter l'hydrogénation, les enzymes utilisent un arrangement «intelligent» où le cadre organique environnant coopère avec un atome métallique – comme le fer – déclenchant efficacement la réaction.

"Après avoir examiné les hydrogénases, nous voulions vérifier si nous pouvions fabriquer des molécules artificielles qui imitent ces enzymes en utilisant le même type de matériaux communs, comme le fer et le manganèse", a expliqué le Dr Abhishek Dubey, le premier auteur de cette étude.

Le principal défi de cette étude était de construire un cadre adéquat – appelé un ligand – autour du manganèse pour induire l'hydrogénation. Les scientifiques ont trouvé une structure de ligand étonnamment simple ressemblant à des enzymes hydrogénase naturelles avec une torsion des catalyseurs de phosphine typiques.

"Dans la plupart des cas, les ligands supportent le métal sans participer directement à une activation de la liaison chimique. Dans notre cas, nous croyons que le ligand participe directement à la réaction", a déclaré le Dr Dubey.

Dans la conception du ligand, la structure d'un ligand est étroitement liée à son efficacité. Le nouveau catalyseur – le ligand et le manganèse ensemble – peut effectuer plus de 6 000 retombées dans une réaction d'hydrogénation, en convertissant plus de 6 000 fois de CO 2 molécules avant la décomposition. Et ce nouveau ligand, résultat d'une collaboration avec une équipe internationale, dont le professeur Carlo Nervi et M. Luca Nencini de l'Université de Turin en Italie et le Dr Robert Fayzullin de Russie, est simple à fabriquer et stable dans l'air.

Pour le moment, le catalyseur est capable de transformer le dioxyde de carbone en acide formique, un conservateur alimentaire et un agent de bronzage largement utilisé, et le formamide, qui a des applications industrielles. Mais la polyvalence de ce catalyseur ouvre beaucoup d'autres possibilités.

"Notre prochain objectif est d'utiliser des catalyseurs de manganèse structurellement simples et peu coûteux pour cibler d'autres types de réactions dans lesquelles le CO 2 et l'hydrogène peuvent être transformés en produits chimiques organiques utiles", a conclu le Prof. Khusnutdinova.

Lire la suite (en anglais)

N'oubliez pas de voter pour cet article !
1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (Pas encore de votes)
Loading...

Vous aimerez aussi...

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Aller à la barre d’outils