New catalyst could make mixed plastic recycling a reality
aUn nouveau catalyseur pourrait faire du recyclage des plastiques mixtes une réalité
Par l'Université Northwestern
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Crédit : Unsplash/CC0 Domaine public
L'avenir du recyclage du plastique pourrait bientôt devenir beaucoup moins compliqué, frustrant et fastidieux. Dans une nouvelle étude, des chimistes de l'Université Northwestern ont présenté un nouveau procédé de valorisation du plastique permettant de réduire considérablement, voire de contourner complètement, la fastidieuse tâche de pré-tri des déchets plastiques mixtes.
Ce procédé utilise un nouveau catalyseur peu coûteux à base de nickel qui décompose sélectivement les plastiques polyoléfines, composés de polyéthylènes et de polypropylènes, ces plastiques à usage unique qui représentent près des deux tiers de la consommation mondiale de plastique. Les utilisateurs industriels pourraient ainsi appliquer ce catalyseur à d'importants volumes de déchets polyoléfines non triés.
Lorsque le catalyseur décompose les polyoléfines, les plastiques solides de faible valeur se transforment en huiles et cires liquides, qui peuvent être valorisées en produits à plus forte valeur ajoutée, notamment en lubrifiants, carburants et bougies. Non seulement ce nouveau catalyseur est réutilisable, mais il peut également décomposer les plastiques contaminés par du polychlorure de vinyle (PVC), un polymère toxique qui rend les plastiques notoirement « non recyclables ».
L'étude, intitulée « Un catalyseur organo-Ni monosite stable hydrogénolyse préférentiellement les liaisons C-C des polyoléfines ramifiées », est publiée dans Nature Chemistry.
« L'un des principaux obstacles au recyclage du plastique a toujours été la nécessité de trier méticuleusement les déchets plastiques par type », a déclaré Tobin Marks, de Northwestern, auteur principal de l'étude. « Notre nouveau catalyseur pourrait contourner cette étape coûteuse et laborieuse pour les plastiques polyoléfines courants, rendant le recyclage plus efficace, pratique et économiquement viable que les stratégies actuelles.»
« Quand on pense au plastique, on pense probablement aux polyoléfines », a déclaré Yosi Kratish, de Northwestern, coauteur correspondant de l'article.
En gros, presque tout ce qui se trouve dans votre réfrigérateur est constitué de bouteilles souples en polyoléfine pour condiments et vinaigrettes, de pots de lait, de films plastiques, de sacs poubelles, d'ustensiles jetables, de briques de jus de fruits et bien d'autres choses encore. Ces plastiques ont une durée de vie très courte, ils sont donc pour la plupart à usage unique.
« Si nous ne disposons pas d'un moyen efficace de les recycler, ils finissent dans des décharges et dans l'environnement, où ils stagnent pendant des décennies avant de se dégrader en microplastiques nocifs. »
Expert en catalyse, Marks est titulaire de la chaire Vladimir N. Ipatieff de chimie catalytique au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également professeur associé à l'Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l'énergie. Kratish est professeur adjoint de recherche au sein du groupe de Marks et membre affilié du corps professoral de l'Institut Trienens.
Qingheng Lai, chercheur associé au sein du groupe de Marks, est le premier à participer à l'étude. Auteur. Marks, Kratish et Lai ont codirigé l'étude avec Jeffrey Miller, professeur de génie chimique à l'Université Purdue ; Michael Wasielewski, professeur de chimie Clare Hamilton Hall à Weinberg ; et Takeshi Kobayashi, chercheur au Laboratoire national Ames.
Le dilemme des polyoléfines
Des pots de yaourt aux emballages de snacks, en passant par les bouteilles de shampoing et les masques médicaux, la plupart des gens interagissent avec les plastiques polyoléfines plusieurs fois par jour. Grâce à leur polyvalence, les polyoléfines sont le plastique le plus utilisé au monde.
Selon certaines estimations, l'industrie produit plus de 220 millions de tonnes de produits polyoléfines chaque année dans le monde. Pourtant, selon un rapport de 2023 publié dans la revue Nature, les taux de recyclage des plastiques polyoléfines sont extrêmement faibles, allant de moins de 1 % à 10 % à l'échelle mondiale.
La principale raison de ce taux de recyclage décevant est la composition robuste et tenace de la polyoléfine. Elle contient de petites molécules liées entre elles par des liaisons carbone-carbone, réputées difficiles à rupture.
« Lorsque nous concevons des catalyseurs, nous ciblons les points faibles », explique Kratish. « Mais les polyoléfines ne présentent aucun maillon faible. Chaque liaison est incroyablement solide et chimiquement inerte. »
Actuellement, seuls quelques procédés, loin d'être optimaux, permettent de recycler la polyoléfine. Elle peut être broyée en paillettes, qui sont ensuite fondues et recyclées pour former des granulés de plastique de mauvaise qualité. Cependant, les différents types de plastiques ayant des propriétés et des points de fusion différents, ce procédé exige une séparation rigoureuse des différents types de plastiques.
Même de petites quantités d'autres plastiques, de résidus alimentaires ou de matériaux non plastiques peuvent compromettre un lot entier. Ces lots compromis finissent directement à la décharge.
Une autre option consiste à chauffer les plastiques à des températures extrêmement élevées, atteignant 400 à 700 degrés Celsius. Bien que ce procédé dégrade les polyoléfines en un mélange utile de gaz et de liquides, il est extrêmement énergivore.
« Tout peut être brûlé, bien sûr », explique Kratish. « Avec suffisamment d'énergie, on peut tout convertir en dioxyde de carbone et en eau. Mais nous souhaitions trouver un moyen élégant d'ajouter le minimum d'énergie pour obtenir un produit à valeur maximale. »
Ingénierie de précision
Pour trouver cette solution élégante, Marks, Kratish et leur équipe se sont tournés vers l'hydrogénolyse, un procédé utilisant de l'hydrogène gazeux et un catalyseur pour décomposer les plastiques polyoléfines en hydrocarbures plus petits et utiles. Bien que des méthodes d'hydrogénolyse existent déjà, elles nécessitent généralement des températures extrêmement élevées et des catalyseurs coûteux fabriqués à partir de métaux nobles comme le platine et le palladium.
« La production de polyoléfines est à grande échelle, mais les réserves mondiales de métaux nobles sont très limitées », a déclaré Lai.
« Nous ne pouvons pas utiliser la totalité des réserves de métaux pour la chimie. Et même si nous le faisions, il n'y en aurait pas assez pour résoudre le problème du plastique. C'est pourquoi nous nous intéressons aux métaux abondants sur Terre.»
Pour son catalyseur de recyclage des polyoléfines, l'équipe de Northwestern a identifié le nickel cationique, synthétisé à partir d'un composé de nickel abondant, peu coûteux et disponible dans le commerce. Alors que d'autres catalyseurs à base de nanoparticules de nickel possèdent plusieurs sites de réaction, l'équipe a conçu un catalyseur moléculaire à site unique.
La conception à site unique permet au catalyseur d'agir comme un scalpel hautement spécialisé, coupant préférentiellement les liaisons carbone-carbone, plutôt que comme un instrument contondant moins contrôlé qui décompose sans discrimination la structure entière du plastique.
Le catalyseur permet ainsi la décomposition sélective des polyoléfines ramifiées (comme le polypropylène isotactique) lorsqu'elles sont mélangées à des polyoléfines non ramifiées, les séparant ainsi chimiquement.
« Comparé aux autres catalyseurs à base de nickel, notre procédé utilise un catalyseur à site unique qui fonctionne à une température inférieure de 100 °C et à une pression d'hydrogène deux fois inférieure », explique Kratish. « Nous utilisons également une charge de catalyseur dix fois inférieure et notre activité est dix fois supérieure. Nous sommes donc gagnants dans toutes les catégories.»
Accéléré par la contamination
Grâce à son site actif unique, précisément défini et isolé, le catalyseur à base de nickel possède une activité et une stabilité sans précédent. Il est si stable thermiquement et chimiquement qu'il reste sous contrôle même exposé à des contaminants comme le PVC. Utilisé dans les canalisations, les revêtements de sol et les dispositifs médicaux, le PVC est visuellement similaire à d'autres types de plastiques, mais nettement moins stable à la chaleur.
Lors de sa décomposition, le PVC libère du chlorure d'hydrogène gazeux, un sous-produit hautement corrosif qui désactive généralement les catalyseurs et perturbe le processus de recyclage.
Étonnamment, non seulement le catalyseur de Northwestern a résisté à la contamination par le PVC, mais le PVC a même accéléré son activité. Même lorsque le poids total du mélange de déchets est composé à 25 % de PVC, les scientifiques ont constaté que leur catalyseur fonctionnait toujours avec des performances améliorées.
Ce résultat inattendu suggère que la méthode de l'équipe pourrait surmonter l'un des principaux obstacles au recyclage des plastiques mixtes : la décomposition des déchets actuellement considérés comme « non recyclables » en raison de la contamination par le PVC. Le catalyseur peut également être régénéré sur plusieurs cycles grâce à un simple traitement à l'alkylaluminium peu coûteux.
« Ajouter du PVC à un mélange de recyclage a toujours été interdit », a déclaré Kratish. « Mais apparemment, cela améliore encore notre procédé. C'est fou. Personne ne s'y attendait. »
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RESUME
Un nouveau catalyseur pourrait faire du recyclage des plastiques mixtes une réalité
L'avenir du recyclage du plastique pourrait bientôt devenir beaucoup moins compliqué, frustrant et fastidieux. Dans une nouvelle étude, des chimistes de l'Université Northwestern ont présenté un nouveau procédé de surcyclage du plastique qui peut réduire considérablement, voire supprimer complètement, la fastidieuse tâche de pré-tri des déchets plastiques mixtes.
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COMMENTAIRE
Cet article me permet d aborder un des problèmes de fond qui menace meme notre avenir ..... Le développement de la technologie humaine est parfois si envahissant qu il menace l humanité et c est le cas de l usage des plastiques ....
1/ Quelle est l ampleur de la pollution générée par les plastiques ???
Au moins 35 000 décès prématurés par an
Moins de 10 % sont recyclés au niveau mondial, si bien qu'on évalue aujourd'hui à 8 milliards de tonnes les déchets de plastiques qui polluent la planète, depuis les fosses océaniques jusqu'
au sommet de l'Everes
2/Pour mes élèves :Quelles sont les trois technologies utilisées pour recycler chimiquement les plastiques ?
Il existe trois principaux types de recyclage chimique : la pyrolyse, la gazéification et la solvolyse. La pyrolyse cible principalement le polyéthylène et le polypropylène, communément appelés oléfines. Le procédé de pyrolyse chauffe le plastique recyclé collecté sans oxygène dans un réacteur. Cela permet de fragmenter les molécules.
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More information: Qingheng Lai et al, Stable single-site organonickel catalyst preferentially hydrogenolyses branched polyolefin C–C bonds, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01892-y
Journal information: Nature Chemistry , Nature
Provided by Northwestern Universi
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