Un nouveau processus catalytique décompose complètement le nylon-6 en quelques minutes

Le nylon-6 peut être rapidement décomposé par un nouveau processus catalytique sans générer de sous-produits nocifs ni nécessiter de solvants toxiques. Le système catalytique métallocène, basé sur des métaux de transition précoce et des lanthanides abondants sur terre, dépolymérise le matériau à des vitesses sans précédent.

Grâce à ce catalyseur, l’équipe a pu récupérer 99 % des monomères du nylon-6, qui ont ensuite pu être recyclés en produits de plus grande valeur. Le système est également très sélectif et n’agit que sur le nylon-6. Les chercheurs suggèrent donc qu’elle pourrait être appliquée à d’importants volumes de déchets non triés.

Ce nouveau système est également plus écologique que d’autres catalyseurs précédemment étudiés, qui reposent sur des températures élevées, de la vapeur à haute pression ou des solvants toxiques.

En revanche, le procédé catalytique développé à l’Université Northwestern aux États-Unis ne dépend pas de matériaux coûteux ni de conditions extrêmes. Le système catalytique implique des ions métalliques lanthanides enfermés dans une structure de ligand organique spécialement conçue. Pour recycler ces plastiques résilients, ces catalyseurs doivent être conçus pour être non seulement hautement actifs, mais également thermiquement stables et robustes pour manipuler et décomposer ces matériaux polymères.

Les chercheurs se sont également appuyés sur des calculs de mécanique quantique de haut niveau pour examiner l’énergétique de diverses voies de réaction catalytiques possibles et les guider dans la conception du catalyseur.

« Vous pouvez considérer notre catalyseur presque comme un Pac-Man : il commence à une extrémité du polymère, le mordille et crache le monomère d’origine, appelé caprolactame », explique Tobin Marks, l’auteur principal de l’étude. « Et le caprolactame sort sous forme de vapeur, donc il n’y a pas de solvant, et nous le collectons. Nous refroidissons la vapeur et elle forme du caprolactame très pur. »

Le catalyseur descend la chaîne polymère, expulsant rapidement les molécules de monomère de caprolactame, une par une. Ses molécules peuvent également sauter d’une chaîne à une autre. «Nous montrons dans l’article que le catalyseur peut être recyclé plusieurs fois sans ralentir, en arguant qu’il peut être utilisé dans un processus continu dans lequel le nylon est continuellement introduit dans le réacteur et le caprolactame sort continuellement du réacteur comme cela serait le cas dans un processus continu. grande usine», déclare Marks.

«Grâce à ces travaux informatiques, nous comprenons que nos catalyseurs métalliques se lient aux liaisons amide de ces polymères de nylon-6 et commencent à «décompresser» ces plastiques avec des monomères libérés à l’extrémité de la chaîne polymère», explique Liwei Yi, premier auteur de l’article. « Ces études informatiques sont importantes car elles nous guident, en tant que chimistes expérimentaux, sur la manière de mieux concevoir nos structures catalytiques et de rendre ces processus plus efficaces. »

L’équipe de Northwestern a démontré que son nouveau procédé catalytique peut cibler le nylon présent dans un flux de déchets plastiques mélangés. «Et maintenant, nous étudions d’autres mélanges, c’est donc la prochaine étape de nos recherches», dit-il. « Il est intéressant de noter qu’il existe une demande croissante, en particulier pour des vêtements haut de gamme fabriqués à partir de nylon recyclé, car les gens veulent voir cette conscience de la durabilité environnementale. »

Au-delà de la catalyse ?

Marks et ses collègues rapportent une nouvelle classe de catalyseurs métallocènes ligaturés π. Ils espèrent qu’il pourra désormais être utilisé à grande échelle pour contribuer à résoudre le problème mondial des déchets plastiques.

Collin Ward, chimiste marin au Woods Hole Oceanographic Institute dans le Massachusetts, aux États-Unis, qui n’a pas participé aux travaux mais qui étudie la manière dont le plastique se dégrade dans l’environnement, affirme que l’étude offre « une manière créative et nouvelle » de recycler le nylon. «Je suis impressionné par le nombre de variables expérimentales qu’ils ont prises en compte lors de l’évaluation de l’efficacité des catalyseurs, ce qui montre que le catalyseur est très prometteur dans de nombreuses conditions de test importantes.»

Selon Ward, la prochaine étape logique consiste à comprendre dans quelle mesure il est possible de faire évoluer cette technologie. «En cas de succès, je suis d’accord avec les auteurs sur le fait que la technologie pourrait accroître la circularité des produits de consommation en nylon et réduire la quantité de nylon qui finit dans les décharges», dit-il.

Yutan Getzler, expert en chimie et recyclage des polymères au Kenyon College dans l’Ohio, affirme que le problème du recyclage du nylon-6 n’est pas chimique, mais économique. Il existe des procédés industriels très bien établis pour recycler le nylon et le revendre comme d’autres produits, « mais la question de savoir s’ils fonctionnent efficacement ou non a vraiment à voir avec la fluctuation du prix du pétrole, qui est ce qui va définir le prix du caprolactame dérivé du pétrole par rapport à un matériau chimiquement recyclé», explique-t-il. « On ne peut tout simplement pas en obtenir suffisamment pour exécuter un processus efficacement à l’échelle industrielle, et ce n’est pas un problème qui peut être résolu par la catalyse. »