Essence et produit chimique issus de déchets végétaux

Villigen, 29.06.2017 - En tant que composant de nombreux végétaux, la lignine existe en grandes quantités. C’est une matière première inépuisable, à partir de laquelle il serait théoriquement possible de fabriquer des carburants et d’autres substances importantes pour l’industrie. Mais à ce jour, cette production n’est pas suffisamment efficace. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’ETH Zurich ont découvert une méthode qui permet d’identifier les produits intermédiaires des réactions catalytiques utilisées pour cette transformation. Jusque-là, ces produits intermédiaires étaient restés invisibles. Leur nouvelle méthode permettra à l’avenir une amélioration ciblée des procédés de fabrication des produits recherchés. Leur étude paraît dans la dernière édition de la revue spécialisée Nature Communications.

Qu'il serait pratique et écologique de pouvoir produire du carburant à partir des déchets végétaux moyennant une méthode simple. Ou de réussir à fabriquer à partir de ces mêmes déchets des phénols dont l'industrie des plastiques a urgemment besoin. Bref, d'être capable d'obtenir sans difficulté les matières premières fondamentales nécessaires à notre civilisation à partir de ce que la nature produit chaque année en grandes quantités et que nous laissons se décomposer en raison de cette surabondance.

Toutes les plantes ligneuses contiennent de la lignine, et avec un tonnage annuel de 20 milliards de tonnes, cette dernière est avec la cellulose et la chitine la substance organique la plus répandue sur Terre. La lignine est composée en grande partie de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, assemblés en une grosse molécule très complexe, elle-même constituée de plus petits composés, comme ceux dont on a besoin pour produire des carburants et des phénols.

Un grand pas dans la compréhension du mécanisme

Théoriquement, il est possible d'obtenir ces composés en «cassant» la lignine. Toutefois, le processus chimique que cela nécessite est extrêmement compliqué et coûteux. Jusqu'ici, il n'en valait pas la peine. Mais cela pourrait changer grâce à certains procédés ingénieux. Et des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI à Villigen et de l'ETH Zurich ont à présent fait un grand pas en avant dans la compréhension des mécanismes qui gouvernent les réactions susceptibles de déboucher sur les produits chimiques désirés.

Leur procédé consiste à décomposer à environ 400°C, sans oxygène, la grosse molécule de lignine - les chercheurs ont utilisé le gaïacol de lignine, c'est-à-dire une partie de la grosse molécule - en molécules plus petites. Pour ce faire, on utilise un catalyseur, c'est-à-dire une substance qui accélère la réaction sans être utilisée. Dans le cas présent, les chercheurs ont recouru à une zéolithe, c'est-à-dire un matériau doté de beaucoup de pores, et donc d'une grande surface, au niveau duquel la réaction peut se produire.

Les premiers produits qui apparaissent pour quelques fractions de seconde sont ce qu'on appelle des produits intermédiaires gazeux, qui réagissent avec l'eau et l'oxygène environnants pour former aussitôt des phénols et d'autres produits finaux stables. «Ces produits intermédiaires, on ne peut pas les observer avec des méthodes conventionnelles, explique Patrick Hemberger, chercheur à une ligne de faisceaux à la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Mais surtout, on peut à peine les distinguer, parce que leurs molécules sont souvent composées des mêmes atomes; ces derniers sont juste ordonnés de manière différente. Mais dès lors que nous réussissons à déterminer ces produits intermédiaires et leur quantité, il devient possible de modifier le processus de manière à obtenir plutôt certains produits intermédiaires que d'autres, ce qui augmenterait au final le rendement en produit désiré.»

La lumière synchrotron permet de visualiser l'invisible

Comme les molécules sont de même poids, elles ne peuvent pas être déterminées par un spectromètre de masse, par exemple, puisque ce dernier trie les substances en fonction de leur poids. «Nous avons maintenant réussi à déterminer ces molécules en utilisant le rayonnement synchrotron nommé ultraviolet sous vide et une combinaison de spectrométrie de masse et de spectroscopie photoélectronique dont nous disposons ici à la SLS», poursuit Patrick Hemberger. Les faisceaux lumineux particuliers que produit la SLS arrachent des électrons aux molécules et ces derniers sont ensuite observés au moyen d'un procédé spécial. «Les propriétés observées de ces électrons sont l'équivalent d'une empreinte digitale, elles sont uniques pour chaque substance», précise le chercheur.

Jusqu'ici, lorsqu'on se penchait sur des procédés catalytiques de ce genre, on procédait par «cook and look», explique le chimiste: on essayait simplement de voir quel était l'agencement qui fournissait le plus de produit désiré, en variant par exemple la température, le catalyseur ou la concentration des molécules. «Avec l'approche développée par Patrick Hemberger, nous sommes désormais en mesure de décrypter véritablement les mécanismes de réaction. C'est une première», relève Jeroen van Bokhoven, directeur du Laboratoire de catalyse et de chimie durable au PSI et professeur de catalyse hétérogènes à l'ETH Zurich. «Et ainsi, ajoute Victoria Custodis, deuxième auteure de la publication, nous avons désormais les moyens de développer de manière plus ciblée de nouveaux processus de fabrication plus performants et plus écologiques.». Sans oublier, souligne-t-elle, que l'approche peut être transposée à beaucoup d'autres procédés catalytiques.

Texte: Jan Berndorff

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Publication originale:

Understanding the mechanism of catalytic fast pyrolysis by unveiling reactive intermediates in heterogeneous catalysis

Patrick Hemberger, Victoria B.F. Custodis, Andras Bodi, Thomas Gerber, Jeroen A. van Bokhoven

Nature Communications 29 June 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15946

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