Des électrons chauds pour une oxydation tout en douceur

L'oxydation des hydrocarbures est une réaction très utilisée industriellement mais très énergivore. Pour rendre cette chimie plus douce, une équipe de physiciens et chimistes franco-britanniques présente, dans une étude parue dans la revue Green Chemistry, un nouveau système catalytique à base de nanoparticules métalliques qui réchauffent leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) sous l'action de la lumière.


L'oxydation d'oléfines insaturées comme celle du cyclooctène en époxyde est une réaction très importante à l'échelle industrielle qui peut être catalysée par de nombreux composés en phase homogène ou en phase hétérogène. Elle fait toujours néanmoins l'objet de recherche afin de minimiser son impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient...), d'améliorer les conditions et d'optimiser ses performances.

Dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire entre l'Université de Cardiff (L’université de Cardiff (anglais : Cardiff University; gallois : Prifysgol...) (UK) et 3 laboratoires français lillois: l'Unité de catalyse et chimie du solide (CNRS/Centrale Lille/Université d'Artois/Université de Lille), le Laboratoire avancé de spectroscopie pour les interactions, la réactivité et l'environnement et le laboratoire Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des lasers, atomes et molécules (CNRS/Université de Lille), des physiciens et des chimistes ont développé un nouveau système catalytique pour ces réactions qui est piloté par la lumière.

Ce catalyseur est à base de nanoparticules (NPs) de métaux nobles qui peuvent en effet absorber la lumière pour générer des électrons chauds et provoquer un réchauffement local par hyperthermie (L'hyperthermie est l'élévation locale ou générale de la température du...). Ces propriétés permettent une conversion efficace de la lumière en énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) et un transfert d'énergie vers le microenvironnement local autour des NPs.

Les scientifiques ont utilisé ces nanoparticules pour catalyser l'oxydation d'oléfines insaturées comme le cyclooctène en époxyde à température douce. En combinant des nanoparticules catalytiques à base de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...) et des nanoparticules d'or, ils ont créé des émulsions huile (oléfines)/eau par sonication. Ces émulsions, dite de Pickering, ne sont pas stabilisées par un tensioactif (Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux...) mais bien par les nanoparticules catalytiques qui se localisent et s'auto-assemblent à l'interface huile/eau, créant ainsi une catalyse interfaciale de Pickering, particulièrement efficace.

Sous irradiation, la résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) plasmonique localisée à la surface des nanoparticules métalliques absorbe l'énergie lumineuse pour générer des électrons chauds et provoquer un réchauffement autour des NPs à l'interface huile/eau. Contrairement au chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) conventionnel, la catalyse pilotée par ces NPs fait intervenir des électrons chauds et/ou un gradient de température à la surface du catalyseur sous irradiation lumineuse pour accélérer son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) et modifier la sélectivité des réactions en activant des liaisons chimiques spécifiques. Cet échauffement local permet une activité multipliée par 5 par rapport à la réaction thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) pour l'oxydation d'alcènes avec le peroxyde d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) H₂O₂ (eau oxygénée). De plus, les nanoparticules sont aisément récupérées en fin de réaction et ont pu être ré-utilisées jusqu'à 5 fois sans perdre leur activité.

Ces résultats, parus dans la revue Green Chemistry, ouvrent une voie pour la conception de photoréacteurs multiphases pour des réactions d'oxydation à température douce, avec, à conversion identique, une économie d'énergie potentielle de 74% par rapport à celle des réacteurs chauffés thermiquement.

Référence

Light-driven Pickering interfacial catalysis for the oxidation of alkenes at near-room temperature
Y. Feng, J.-F. Dechezelle, Q. D'Acremont, E. Courtade, V. De Waele, M. Pera-Titus & V. Nardello-Rataj.
Green Chem. 2023
DOI: https://doi.org/10.1039/D2GC04591E