Nouvelle technique développée pour obtenir des intrants clés de l’industrie chimique sans émettre de CO2

Une étude publiée dans ACS Applied Materials & Interfaces, une revue de l’American Chemical Society, décrit une nouvelle méthode de production de peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) sans émettre de dioxyde de carbone (CO₂), l’un des principaux gaz à effet de serre et l’un des produits chimiques les plus produits au monde.

Le peroxyde d’hydrogène est utilisé pour blanchir les tissus, les pâtes et papiers et pour blanchir les dents. Il est également utilisé comme carburant de propulseur pour le contrôle d’attitude des satellites et comme agent désinfectant ou stérilisant par les hôpitaux. Quelque 2 millions de tonnes métriques de composé sont produites chaque année.

“Pour comprendre l’impact de nos découvertes, il est important d’abord et avant tout de garder à l’esprit l’importance de H₂O₂ dans l’industrie chimique et la façon dont il est actuellement produit », a déclaré Ivo Freitas Teixeira, professeur de chimie à l’Université fédérale de São Carlos (UFSCar) dans l’État de São Paulo, au Brésil. Il est titulaire d’un doctorat en chimie inorganique de l’Université de São Paulo (USP) et a été boursier Humboldt à l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces à Potsdam, en Allemagne, entre 2019 et 2021.

“Tout ce peroxyde est produit par un procédé qui fait appel à l’anthraquinone [a compound derived from hydrolysis of anthracene, a toxic substance]. Dans ce processus, l’anthraquinone est réduite puis oxydée pour faire du H₂O₂. Les inconvénients de la méthode sont le coût élevé de l’anthraquinone et l’utilisation de métaux précieux comme le Pd [palladium]et H₂ [hydrogen] comme agents réducteurs. Cet hydrogène est produit par vaporéformage du méthane, qui implique des températures élevées et dégage du CO₂contribuant au réchauffement climatique », a-t-il déclaré.

Dans l’étude, les chercheurs ont produit du peroxyde à partir d’oxygène (O₂) en utilisant la photocatalyse pour guider le processus. Dans la photocatalyse, les catalyseurs (substances qui accélèrent la réaction chimique) sont activés par la lumière visible au lieu d’une température ou d’une pression élevée. Un autre avantage de leur méthode était l’utilisation de nitrure de carbone comme photocatalyseur. Ce matériau est composé uniquement de carbone et d’azote, tous deux abondants dans la croûte terrestre, et peut être activé dans le domaine visible, ce qui correspond à environ 45 % du spectre solaire. Il est donc probable que la lumière du soleil puisse être utilisée à la place de l’éclairage artificiel, ce qui rend le processus plus rentable.

Après avoir testé différentes conditions de réaction, les chercheurs sont arrivés à un système avec un excellent taux de H₂O₂ production. “Nous avons atteint O₂ réduction via une voie photocatalytique dans laquelle la source d’hydrogène était l’eau dans le milieu réactionnel ou le réactif sacrificiel, généralement le glycérol, un sous-produit de la production de biodiesel », a expliqué Teixeira.

Dans ce système, le nitrure de carbone est utilisé comme semi-conducteur pour séparer les charges lorsqu’il est baigné de lumière, favorisant les réactions de réduction et d’oxydation. Le O₂ se réduit à H₂O₂ et le réactif sacrificiel (glycérol) est oxydé. Le H₂O₂ est obtenu sans avoir besoin d’utiliser H₂ et donc sans CO₂ émissions.

“Le chemin que nous avons dû parcourir dans notre enquête jusqu’à ce que nous arrivions aux résultats décrits dans l’article publié a été long car nous avons découvert qu’en même temps que H₂O₂ a été produit à la surface du photocatalyseur, il pourrait également être dégradé », a déclaré Teixeira. « Nous avons dû effectuer plusieurs tests et continuer à modifier le photocatalyseur afin de favoriser la formation de H₂O₂ et éviter sa décomposition. Comprendre le mécanisme par lequel H₂O ₂ se décompose à la surface du nitrure de carbone était extrêmement important pour nous permettre de développer le photocatalyseur idéal pour cette réaction.

Teixeira dirige une équipe de recherche à l’UFSCar soutenue par la FAPESP. Il est le dernier auteur de l’article, également signé par Andrea Rogolino (Université de Padoue, Italie) ; Ingrid Silva, Nadezda Tarakina et Markus Antonietti (Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces, Allemagne) ; et Marcos da Silva et Guilherme Rocha (UFSCar).