Un nouvel organocatalyseur pourrait réduire la consommation d’énergie d’un processus chimique d’une importance vitale – le processus chlore-alcali. Yadong Li de l’Université de Tsinghua en Chine et son équipe ont découvert que les quinazolines-2,4-diones organiques relativement bon marché réduisent la consommation d’énergie du procédé par rapport aux catalyseurs métalliques coûteux. Si un tel catalyseur était adopté dans le monde entier par l’industrie du chlore-alcali, il pourrait économiser environ 1,8 à 4,6 % des 150 TWh qu’il consomme chaque année, selon l’équipe de Li. Cela équivaudrait à peu près à entre trois et neuf jours de consommation d’énergie quotidienne moyenne au Royaume-Uni. D’autres scientifiques affirment que la stabilité du catalyseur nécessite encore beaucoup de travail avant que de telles économies d’énergie puissent être réalisées.

Le procédé chlore-alcali fait passer l’électricité à travers une solution de chlorure de sodium, générant du chlore et de l’hydroxyde de sodium. La Commission européenne a estimé que ce processus sous-tend plus de la moitié des ventes de l’industrie chimique du continent, avec 2 millions d’emplois liés à ses produits. L’importance du procédé chlore-alcali n’a d’égal que son intensité énergétique, puisqu’il consomme environ 4 % de l’électricité produite dans le monde.

Traditionnellement, le processus chlore-alcali se déroule dans des cellules à membrane, des réacteurs à deux chambres contenant chacune une électrode. Le courant électrique traverse une solution saline concentrée dans la première chambre, qui contient une anode dimensionnellement stable (DSA), libérant du chlore. Le DSA est généralement du titane recouvert d’un oxyde conducteur d’un métal noble comme le ruthénium et également du dioxyde de titane résistant à la corrosion. L’autre chambre sépare l’eau en hydrogène et en ions hydroxyde à la cathode. Les ions sodium se déplacent de la première chambre à la seconde et se combinent avec les ions hydroxyde pour former de l’hydroxyde de sodium.

Environnement hostile

Des efforts industriels pour rendre le procédé chlore-alcali jusqu’à 25 % plus efficace sont déjà en cours. Cela implique l’ajout d’oxygène pour produire plus d’ions hydroxyde à partir d’une grande partie de l’hydrogène gazeux qui serait autrement libéré. Cette réaction modifie le potentiel électrique à la cathode, réduisant la différence de potentiel entre les électrodes. Cela abaisse la tension de la cellule à membrane, et donc sa consommation d’énergie. C’est le processus que Li et son équipe ont maintenant cherché à améliorer davantage.

L’équipe de Li a remplacé le DSA par des molécules organiques contenant des groupes amide supportés sur une électrode en titane et en carbone. Ils font également barboter du dioxyde de carbone à travers la cellule, qui réagit avec les composés amides pour produire des intermédiaires d’acide carbamique, permettant des cycles catalytiques qui produisent du chlore avec une grande efficacité. L’un des principaux défis de ce nouveau catalyseur est que son activité diminue lentement avec l’utilisation, bien que l’équipe pense qu’une meilleure méthode de préparation pourrait empêcher cela.

Rolf Hempelmann de l’Université de la Sarre qualifie l’étude de « beau travail académique » mais doute de sa pertinence industrielle. «Le chlore gazeux au potentiel électrochimique oxydant est l’environnement chimique le plus dur que l’on puisse imaginer», déclare-t-il. La façon dont le système de catalyseur est actuellement construit ne peut pas rivaliser avec la durée de vie de 10 ans de ceux qui sont actuellement utilisés, affirme-t-il.

«Il sera très difficile d’atteindre la durabilité requise sur plusieurs années», convient Thomas Turek de l’université technique de Clausthal, qui a rédigé un article d’actualités et de vues pour accompagner la nouvelle étude. Mais il ne croit pas que ce soit impossible. «La grande valeur de la publication, à mon avis, est que, pour la première fois, un catalyseur organique avec ces excellentes propriétés de dégagement de chlore a été démontré», ajoute-t-il. « Il s’agit d’une première étape, et des efforts de recherche supplémentaires sont évidemment nécessaires. »