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Pour une hydrogénation plus écologique

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Des chercheurs découvrent une façon d’utiliser le fer au lieu de métaux lourds comme catalyseur dans des procédés chimiques courants
Publié: 27 Juin 2013

Des chercheurs de l’Université McGill, de RIKEN (Institut de recherche en physique et en chimie) à Wako, au Japon, et de l’Institut des sciences moléculaires, à Okazaki, au Japon, ont découvert une méthode permettant de rendre l’hydrogénation -- un procédé chimique très répandu -- plus respectueuse de l’environnement et moins coûteuse.

L’hydrogénation est un procédé chimique utilisé dans nombre d’applications industrielles, allant de l’agro-alimentaire, comme la fabrication de la margarine, à la pétrochimie, sans oublier l’industrie pharmaceutique. Ce processus repose généralement sur l’utilisation de métaux lourds, tels que le palladium ou le platine, afin de catalyser la réaction chimique. S’ils se révèlent être de puissants catalyseurs, ces métaux sont néanmoins non renouvelables, coûteux et sujets à d’importantes fluctuations de prix sur les marchés internationaux.  

En raison de leur toxicité, même en petites quantités, ces métaux soulèvent également des préoccupations en matière d’environnement et de sécurité. Ainsi, les sociétés pharmaceutiques doivent recourir à des méthodes de purification coûteuses afin de limiter les niveaux résiduels de ces éléments dans les produits pharmaceutiques. Plus répandu dans la nature, le fer est en revanche beaucoup moins toxique que les métaux lourds.   

Des travaux réalisés précédemment par d’autres chercheurs ont démontré qu’il était possible de recourir à des nanoparticules de fer -- de minuscules particules de fer métallique -- pour activer la réaction d’hydrogénation. Le fer comporte toutefois un inconvénient majeur bien connu : il rouille lorsqu’il est exposé à de l’oxygène ou à de l’eau. En présence de rouille, les nanoparticules de fer cessent d’agir comme catalyseurs de l’hydrogénation. Ce problème, qui survient même en présence de quantités traces d’eau, était un obstacle à l’utilisation de nanoparticules de fer dans l’industrie.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue spécialisée Green Chemistry, des scientifiques de McGill, de RIKEN et de l’Institut des sciences moléculaires révèlent qu’ils ont découvert une méthode permettant de surmonter cet obstacle et de faire en sorte que le fer puisse agir comme catalyseur dans des mélanges d’eau et d’éthanol contenant jusqu’à 90 % d’eau. 

Cette méthode repose sur la production de particules directement à l’intérieur d’une matrice composée de polymères amphiphiles  à base de polystyrène et de polyéthylèneglycol. Le polymère agit comme une pellicule qui empêche la surface de fer de rouiller en présence d’eau, tout en permettant aux réactifs d’atteindre cette dernière et d’exercer leur action.  

Grâce à cette méthode novatrice, les chercheurs ont été en mesure d’utiliser les nanoparticules de fer comme catalyseurs dans un système de synthèse en continu, soulevant la possibilité que le fer puisse remplacer les métaux du groupe platine pour l’hydrogénation en milieu industriel.

« Nos travaux s’orientent maintenant vers une meilleure compréhension de la façon dont les polymères protègent de l’eau la surface de fer, tout en permettant au fer d’interagir avec le substrat », explique Audrey Moores, professeure adjointe de chimie à McGill et coauteure-ressource de l’article.

Ces résultats sont le fruit d’un partenariat dans les domaines de la nanotechnologie et de la chimie verte entre McGill et RIKEN, l’une des plus importantes organisations japonaises pour la recherche scientifique. Reuben Hudson, auteur principal de l’étude et doctorant à McGill, a participé à ce projet au Centre des sciences pour les ressources durables de RIKEN et à l’Institut pour les sciences moléculaires à Okazaki, au Japon. Les coauteurs de l’article sont le professeur Chao-Jun Li, de McGill, les docteurs Go Hamasaka et Takao Osako, de l’Institut pour les sciences moléculaires, le docteur Yoichi M. A. Yamada, de RIKEN, et le professeur Yasuhiro Uozumi, de RIKEN et de l’Institut pour les sciences moléculaires. 

« La méthode que nous avons conçue dans le cadre de ce partenariat pourrait mener à l’élaboration de processus industriels plus durables », affirme le professeur Uozumi. « Grâce à cette technique, la réaction peut survenir maintes et maintes fois avec la même petite quantité de matériau catalyseur et dans de l’eau presque pure, solvant écologique par excellence. » 

Cette étude a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, la Fondation canadienne pour l’innovation, le Programme des chaires de recherche du Canada, le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, le Fond RIKEN-McGill, la Société japonaise pour la promotion des sciences et l’Agence japonaise des sciences et de la technologie. 

Version intégrale de l’article : http://xlink.rsc.org/?doi=10.1039/C3GC40789F

 

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