Récemment, l’équipe du chercheur Han Buxing de l’Institut de chimie de l’Académie chinoise des sciences a réalisé des progrès importants dans la recherche sur le recyclage et la conversion du polyéthylène en éthylène et propylène.

Les plastiques polyoléfines (en particulier le polyéthylène PE) sont difficiles à dégrader dans l’environnement, causant des problèmes de pollution plastique. Le recyclage chimique est l’une des voies efficaces pour résoudre les déchets plastiques, en particulier la conversion des polyoléfines en produits chimiques très demandés comme l’éthylène et le propylène, pour réaliser un cycle fermé. Cependant, les méthodes traditionnelles de craquage catalytique, en raison de voies de réaction complexes et d’un « enchevêtrement cinétique » entre les produits principaux et secondaires, entraînent un faible rendement en éthylène et propylène.

Dans des recherches préliminaires, les chercheurs ont découvert que l’utilisation d’un tamis moléculaire LSP-Z100 à structure lamellaire auto-soutenue et à forte acidité Lewis pouvait convertir efficacement le PE en oléfines avec une haute sélectivité dans un système de réacteur à lit fixe à écoulement, mais les produits étaient principalement des oléfines C4/C5, avec un faible rendement en éthylène et propylène cibles (5 %). L’ajout d’une couche de tamis moléculaire P-HZSM-5 modifié au phosphore sous le LSP-Z100 et le réglage de la température de réaction pour tenter un craquage supplémentaire n’ont pas pu augmenter significativement le rendement en éthylène et propylène. Face à ce problème, les chercheurs ont proposé une stratégie innovante de découplage-re-couplage cinétique (KDRC). Cette stratégie divise le processus de conversion du PE en deux segments de réaction indépendants, optimisés séparément. Dans le segment de réaction I, le tamis moléculaire LSP-Z100 est utilisé pour craquer efficacement le PE à 260 °C dans des conditions douces, générant des intermédiaires principalement en oléfines C4/C5. Au second stade, ces intermédiaires sont introduits dans le segment de réaction II, où ils sont convertis en éthylène et propylène cibles par le catalyseur tamis moléculaire P-HZSM-5 à 540 °C.

Les chercheurs proposent que les intermédiaires C4/C5 formés au premier segment occupent une position centrale pivot dans le modèle cinétique, faisant face à deux voies compétitives : l’une génère sélectivement les produits cibles éthylène et propylène par dimérisation-β-craquage, l’autre produit des sous-produits alcane et aromatiques par transfert d’hydrogène et aromatisation. La stratégie KDRC, par optimisation de découplage-couplage, contrôle précisément la concentration des intermédiaires C4/C5, créant des conditions cinétiques optimales pour la réaction de dimérisation-β-craquage au second stade, faisant correspondre les vitesses des deux segments de réaction (figure 1), atteignant finalement un rendement en éthylène et propylène de 79 %.

Dans le processus de validation et de révélation du mécanisme de la stratégie KDRC, la technologie de spectrométrie de masse à photoionisation sous vide par rayonnement synchrotron ultraviolet (SVUV-PIMS) a joué un rôle irremplaçable. Les caractéristiques d’ionisation douce du SVUV-PIMS réduisent efficacement la fragmentation moléculaire, obtenant des informations réelles sur les ions moléculaires, cruciales pour l’analyse qualitative et quantitative des produits dans des systèmes de réaction complexes. Lors de l’étude de la réaction synergique du craquage du PE et de l’ajout de butène, en utilisant du PE deutérié (PE-d4) et en combinant la détection SVUV-PIMS, les chercheurs ont observé une abondance de produits isomères isotopiques hydrogène/deutérium (H/D) (figure 2). Ces données révèlent intuitivement les interactions moléculaires dynamiques actives entre les réactifs et les intermédiaires, élucidant davantage le mécanisme de fonctionnement du réseau de réactions cinétiques au niveau moléculaire.