Les plastiques omniprésents dans les produits du quotidien – des bouteilles d’eau aux meubles d’extérieur – commencent par une transformation chimique fondamentale : la conversion du propane en propylène. Bien que les scientifiques sachent comment effectuer cette conversion efficacement à l’aide de catalyseurs à l’échelle nanométrique, les mécanismes atomiques précis à l’origine du processus sont restés largement mystérieux. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Rochester ont développé des algorithmes qui révèlent les caractéristiques clés régissant cette chimie complexe, ouvrant la voie à l’optimisation de la production industrielle et à la compréhension de réactions similaires.
Le défi de la compréhension au niveau atomique
Pendant des années, les entreprises se sont appuyées sur des méthodes d’essais et d’erreurs pour améliorer le rendement en propylène du propane. Une étude de 2021 dans Science a démontré le potentiel des catalyseurs tandem à l’échelle nanométrique pour rationaliser ce processus, mais sans une compréhension détaillée de ce qui se passe au niveau atomique, il a été difficile d’appliquer cette technique à d’autres processus industriels. La réaction est compliquée par l’interaction de matériaux existant dans plusieurs états, ce qui rend difficile l’identification des facteurs critiques qui déterminent l’efficacité.
Percée algorithmique
L’équipe de Rochester, dirigée par le professeur adjoint Siddharth Deshpande et Ph.D. Snehitha Srirangam, étudiant, a publié ses découvertes dans le Journal of the American Chemical Society. Leur approche implique des algorithmes sophistiqués qui examinent systématiquement d’innombrables possibilités atomiques, en se concentrant sur les plus cruciales. “Il y a tellement de possibilités différentes de ce qui se passe sur les sites catalytiques actifs”, explique Deshpande, “nous avons donc besoin d’une approche algorithmique pour filtrer très facilement mais logiquement le grand nombre de possibilités qui existent et nous concentrer sur les plus importantes.”
Principales conclusions : stabilité des oxydes et sites métalliques défectueux
L’analyse a révélé plusieurs informations inattendues. L’équipe a découvert que le composant oxyde dans la réaction se développait constamment autour des sites défectueux du catalyseur métallique, un comportement essentiel pour maintenir la stabilité du catalyseur. Même lorsque l’oxyde existait dans des compositions chimiques variables, il restait ancré à ces sites métalliques défectueux. Ce modèle de croissance sélective suggère un principe de conception fondamental régissant l’efficacité de la réaction.
Implications pour la chimie industrielle
Selon Deshpande, ces connaissances – et les méthodes algorithmiques utilisées pour les obtenir – peuvent être exploitées pour comprendre d’autres réactions chimiques complexes, telles que la synthèse du méthanol, qui est utilisé dans tout, des peintures aux piles à combustible. Les entreprises peuvent désormais dépasser des décennies d’essais et d’erreurs, en recherchant stratégiquement des méthodes de production plus efficaces pour le propylène et d’autres matériaux industriels.
Une approche générale des réactions complexes
L’approche de l’équipe ne se limite pas à la conversion du propane en propylène. « Notre approche est très générale et peut ouvrir la porte à la compréhension de bon nombre de ces processus qui sont restés une énigme pendant des décennies », affirme Deshpande. Bien que ces réactions soient mises en œuvre avec succès depuis des décennies, une compréhension approfondie des mécanismes atomiques sous-jacents reste difficile à atteindre. Cette nouvelle recherche comble cette lacune, offrant une voie vers une chimie industrielle optimisée.
En conclusion, la percée algorithmique de l’Université de Rochester offre une nouvelle perspective pour l’examen des réactions chimiques complexes, offrant la possibilité de transformer les processus industriels d’une conjecture empirique à une efficacité basée sur les données.
