Sonocatalyse
La sonocatalyse est une branche de la sonochimie qui se base sur l’utilisation des ultrasons pour affecter la réactivité d’un catalyseur utilisé lors d’une catalyse homogène ou hétérogène ainsi que l’apport d’énergie. Elle est généralement utilisée pour assister la catalyse. Ce type de catalyse est utilisé depuis la création de la sonochimie en 1927 par Alfred Lee Loomis (en) (1887-1975) et Robert Williams Wood (1868-1955)[1]. La sonocatalyse (et même la sonochimie en général) repose sur les ultrasons qui ont été découverts en 1794 par le biologiste italien Lazarro Spallanzani (1729-1799)[2].
Principe[modifier | modifier le code]
Concept Général[modifier | modifier le code]
La sonocatalyse n’est pas une technique catalytique à elle seule. En effet, elle a pour rôle d’assister la catalyse en elle-même. La sonocatalyse, tout comme la sonochimie en général, dérive d’un phénomène appelé “cavitation acoustique”, qui se produit lorsqu’un liquide est irradié par des ultrasons. Les ultrasons vont créer de fortes variations locales de pression et de température, affectant ainsi la densité du liquide et créer des bulles de cavitation lorsque la pression du liquide descend en dessous de sa vapeur de pression saturante. Lorsque ces bulles explosent, une énergie, qui correspond à la transformation d’énergie cinétique en chaleur est libérée. La sonocatalyse peut avoir lieu en phase homogène comme en phase hétérogène, suivant la phase dans laquelle le catalyseur est par rapport à la réaction[1].
D’un point de vue réactionnel, l’éclatement des bulles de cavitation permet de créer des conditions extrêmes de pression et de température locales, pouvant aller jusqu’à une pression de 1000 atm et une température de 5000K[1]. Cela permet la création de radicaux hautement énergétiques[3]. Dans un milieu aqueux, l’éclatement des bulles permet la formation du radical hydroxyle et du radical hydrogène [3]. Ces radicaux peuvent ensuite se recombiner pour produire différentes espèces comme de l’eau , le radical hydroperoxyle , du peroxyde d’hydrogène ou encore du dioxygène [3].
Les réactions de formation de radicaux dues à la décomposition de l'eau par les ultrasons peuvent être décrites comme telles[3]:
![{\displaystyle {\ce {H2O ->[{)))}] HO{.}+ H{.}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/45448997f46e5430c1d05ba0937ec53718305fb5)
Cette énergie apportée par les irradiations ultrasoniques est différente de celles apportées par la chaleur ou par un rayonnement électromagnétique. Elle diffère dans la durée, ainsi que dans la pression et l’énergie perçues par molécule[1]. Par exemple, un ultrason d’une fréquence de 20 kHz correspond à une énergie de 8,34 x 10-11 eV. Par comparaison, si on émettait un laser d’une longueur d’onde de 300 nm, alors cela correspondrait à une énergie de 4,13 eV. Ces ultrasons permettent un temps de réaction plus court ainsi qu'un meilleur rendement.
Irradiation directe et irradiation indirecte[2][modifier | modifier le code]
Il existe deux types d’irradiation dans la sonochimie et la sonocatalyse : l’irradiation directe et l’irradiation indirecte[2]. Lors de l’irradiation directe, la solution étudiée est directement en contact avec l’émetteur d’ondes sonores (le plus souvent un transducteur). Lors de l’irradiation indirecte, ces deux éléments sont séparés par un bain irradié qui transmet les ondes par convection au contenant de la solution. Si la méthode d’irradiation la plus utilisée est l’irradiation indirecte, l’irradiation directe est également possible, en particulier lorsque le bain à ultrasons utilisé peut servir de contenant pour la solution[2].
Catalyseurs[modifier | modifier le code]
Catalyseurs homogènes[modifier | modifier le code]
Les complexes de carbonyles de métal, comme le Fe(CO)5, le Fe3(CO)12, le Cr(CO)6, le Mo(CO)6 ou encore le W(CO)6, sont très prisés dans la sonocatalyse homogène[4], car ce sont des espèces stables, de par leurs structures, en conditions standard[5]. De plus, leurs propriétés catalytiques sont connues et efficaces[4].
Catalyseurs hétérogènes[3][modifier | modifier le code]
Les espèces carbonées, comme les nanotubes de carbone, le graphène, l’oxyde de graphène, le charbon actif, biochar, le g-C3N4, les matériaux dopés en carbone, le Buckminsterfullerène (C60), les carbones mésoporeux[3] entre autres sont très utilisées dans la sonocatalyse en phase hétérogène. Ces espèces ont des propriétés physico-chimiques propices à leur utilisation comme sonocatalyseurs car elles favorisent le processus de dégradation lors de la sonocatalyse[3]. Elles sont très utilisées car, en plus d’avoir une grande activité et stabilité pour la sonocatalyse, elles démontrent l’effet de la nucléation[3]. Ces propriétés sont dues à des caractéristiques tels que leurs activités optiques, conductivités électriques, stabilités chimiques, forces mécaniques, ainsi que leurs structures poreuses[3]. Ces espèces sont en plein essor, autant dans leur développement technologique que dans leur utilisation de plus en plus grandissante.
Matériaux utilisés[modifier | modifier le code]
Les transducteurs[2][modifier | modifier le code]
En plus de ces espèces catalytiques, la sonocatalyse nécessite d’autres types d’équipements pour générer les ultrasons, notamment de transducteurs qui génèrent les ultrasons (ondes acoustiques) en convertissant l’énergie électrique en énergie mécanique. Ces transducteurs peuvent être de différents types : ils peuvent être soit piézoélectriques, soit magnétostrictifs. Le type de transducteur le plus utilisé est le piézoélectrique car il est moins coûteux, plus léger et occupe moins de place[2]. Ce transducteur est constitué de monocristaux ou de céramiques et de deux électrodes électriques fixées sur les faces des matériaux cités précédemment. Ces électrodes subissent une tension électrique qui est au maximum égale à la fréquence de résonance du transducteur, puis permettent aux monocristaux et aux céramiques de comprimer ou de se dilater, ce qui crée une onde.
Quelques exemples de transducteurs[2][modifier | modifier le code]
- Le bac à ultrasons est un bac qu’on vient remplir de liquide, souvent de l’eau, et c’est ce liquide qui permet de transmettre l’énergie acoustique générée au fond du bac vers la solution présente à l’intérieur d’une verrerie. Cet outil génère habituellement des ultrasons avec des basses fréquences ( entre 20 et 60 kHz[2] ) et est peu coûteux. Cependant, il présente quelques inconvénients, notamment une difficulté à contrôler la température du liquide contenu dans le bac, mais également le fait que l’irradiation ne soit pas homogène dans tout le bac.
- Le réacteur cup-horn est comparable au bac à ultrasons, mais il permet d’irradier par irradiation directe et indirecte. Le réacteur cup-horn se différencie du bac à ultrasons par des fréquences plus variées, c’est-à-dire qu’il peut irradier à basses fréquences mais également à hautes fréquences, et avec une intensité qui peut être cinquante fois plus intense que le bac à ultrasons. Cet équipement est plus cher car sa conception est très minutieuse, particulièrement car sa forme est calculée afin d’obtenir des irradiations plus homogènes dans tout le bac[2].
- Le réacteur “sifflet” est un réacteur dans lequel le mélange réactionnel est pompé en continu à travers une ouverture de largeur réglable, dans une zone délimitée où la cavitation a lieu. Dans cette zone, il existe des lames qui vibrent lors du passage de la solution pompée, ce qui génère des ondes ultrasonores. Ce réacteur est davantage utilisé pour des mélanges réactionnels homogènes car, dans le cas des mélanges hétérogènes, le solide ne passe pas à travers le sifflet. Pour ce qui est de son utilisation, ce type de réacteur est moins utilisé et répandu que les autres exemples présentés[2].
Schéma décrivant le fonctionnement d’un réacteur “sifflet”[2]
Applications[modifier | modifier le code]
Au fil des années, l’usage de la sonocatalyse s’est sensiblement répandu et intensifié[6]. Aujourd’hui, la sonocatalyse est utilisée dans de nombreux domaines. C’est le cas des domaines médical, pharmacologique, métallurgique, environnemental, nanotechnologique, ainsi que dans le domaine du traitement des déchets aquatiques notamment[6].
Santé[modifier | modifier le code]
Synthèse de principes actifs[modifier | modifier le code]
Exemple du pyrazole et de ses dérivés[7][modifier | modifier le code]
Plusieurs études ont démontré que la sonocatalyse pouvait favoriser le rendement de la synthèse du pyrazole ou d'un de ses dérivés, composés ayant une activité antimicrobienne, antihypertensive, antitumorale, anti-inflammatoire et anti convulsive[7].
Une étude en particulier a par ailleurs développé une nouvelle méthode afin de synthétiser cette molécule et ses dérivés avec des réactifs écologiques et économiques, tout en ayant un rendement élevé en passant par la sonocatalyse[7].
On obtient le tableau comparatif suivant, lors de la synthèse du 3-methyl-5-phenyl-4,5-dihydro-1H-pyrazole-1-carbothioamide:
| Temps (min) | Rendement (%) | |
|---|---|---|
| Réaction sous sonocatalyse (*) | 20 | 76 |
| Réaction sans sonocatalyse, dans les mêmes conditions (*) | 20 | 16 |
| Littérature[8] | 120 | 66 |
(*) voir l'image juste au-dessus pour les conditions de la synthèse
Environnement[modifier | modifier le code]
Dégradation de polluants[modifier | modifier le code]
Un exemple d’utilisation de la sonocatalyse est son utilisation afin d’améliorer la dégradation de polluants. En effet, les ultrasons permettent de générer, à partir d’une molécule d’eau, le radical . Ce radical est un puissant oxydant, pouvant décomposer des polluants organiques persistants[3]. Cependant, la vitesse de réaction pour des composés hydrophobes est faible[3]. C’est pourquoi les ultrasons sont souvent couplés avec un catalyseur solide. L'ajout de ce catalyseur signifie l’ajout de noyaux qui amplifient le phénomène de cavité et donc l'efficacité ultrasonique. À proximité de la surface de contact solide-liquide, une pression supplémentaire est appliquée à la bulle d’un des côtés, ayant pour conséquence un éclatement plus violent de la bulle[3].
Décoloration du rouge cationique 46[9][modifier | modifier le code]
Ce principe s'applique à la décoloration, par oxydation, du rouge cationique 46[9] (également appelé rouge de base 46) par l’oxyde de zinc supporté par de la bentonite. Actuellement, plus de 10 à 20% des colorants organiques sont perdus et relâchés dans la nature. Étant toxiques et cancérogènes, trouver de nouvelles méthodes pour améliorer leur décoloration est un sujet d’actualité. L’oxydation se fait par le radical , dont les capacités oxydantes sont connues. En effet, on peut observer que la forte augmentation de présence du radical a pour effet d’améliorer la décoloration du rouge basique 46, décolorant 17,8% du rouge basique avant l’utilisation des ultrasons, et décolorant 81,6% du rouge basique avec ultrasons[9].
Cependant, l'efficacité catalytique de la sonocatalyse repose principalement sur l’utilisation combinée du catalyseur originel et des ultrasons. En appliquant uniquement les ultrasons, on observe une décoloration de seulement 25,4% du rouge basique 46[9].
Élimination de la tétracycline[10][modifier | modifier le code]
Un autre exemple de dégradation d’un polluant est l’élimination de la tétracycline, un antibiotique fréquemment retrouvé comme polluant dans les eaux usées[10]. Lorsque la tétracycline est dissoute en solution aqueuse, l’utilisation seule d’ultrasons est inefficace pour dégrader la tétracycline, car cela est cinétiquement défavorable[10].
L’association de catalyseurs comme le dioxyde de titane ou le peroxyde d’hydrogène aux ultrasons permet de dégrader beaucoup plus rapidement la tétracycline, de l’ordre de moins d’une demi-heure lorsque les ultrasons, le et le sont utilisés[10].
Dégradation de la rhodamine B[11][modifier | modifier le code]
L’usage de la sonocatalyse est également retrouvé lors de la dégradation de la rhodamine B, un colorant synthétique qui, largué dans les eaux usées, devient néfaste pour les plantes aquatiques[11].
Association avec la photocatalyse[modifier | modifier le code]
La photocatalyse est aussi une voie catalytique efficace pour dégrader des polluants organiques en solution aqueuse. Ainsi, sonocatalyse et photocatalyse peuvent apparaître comme étant des techniques en compétition. Cependant, il est possible d’associer ces deux concepts dans une méthode appelée la sonophotocatalyse, où la force des ultrasons serait couplée à la photocatalyse. La sonophotocatalyse est particulièrement efficace avec l’utilisation d’ultrasons de basse fréquence, c’est-à-dire entre 20 et 40 kHz. Par exemple, la décomposition du bisphénol A catalysée par le dioxyde de titane est deux à trois fois supérieure en présence d’ultrasons à 20 kHz et d’irradiation sous une lampe UV à une longueur d’onde de 300 nm, par rapport à la même réaction sans lampe UV. La sonophotocatalyse se révèle donc encore plus efficace que la sonocatalyse[12].
Application à des réactions[modifier | modifier le code]
La Réaction de Fenton[13][modifier | modifier le code]
La sonocatalyse peut aussi s'appliquer à des réactions comme celle de Fenton. En couplant sonocatalyse (à une fréquence de 20 kHz[13]) et la réaction de Fenton, avec une concentration massique en Chlorure Ferreux ( ) de 5,0 mg/L et à pH = 4[13], l’efficacité de dégradation est de 80% au bout de 12 minutes[13].
Notes et références[modifier | modifier le code]
- (en) Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang et Taeghwan Hyeon, « Acoustic cavitation and its chemical consequences », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 357, no 1751, , p. 335–353 (ISSN 1364-503X et 1471-2962, DOI 10.1098/rsta.1999.0330, lire en ligne, consulté le )
- Behling Ronan, Nahla Araji, et Grégory Chatel. « Qu’est-ce que la sonochimie ? » L’Actualité Chimique le Journal de la SCF 410 (septembre 2016): 11‑20. https://new.societechimiquedefrance.fr/numero/quest-ce-que-la-sonochimie-p11-n410
- Gholami, Peyman, Alireza Khataee, Reza Darvishi Cheshmeh Soltani, et Amit Bhatnagar. « A Review on Carbon-Based Materials for Heterogeneous Sonocatalysis: Fundamentals, Properties and Applications ». Ultrasonics Sonochemistry 58 (novembre 2019): 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681.
- Suslick, Kenneth S., James W. Goodale, Paul F. Schubert, et Hau H. Wang. « Sonochemistry and sonocatalysis of metal carbonyls ». Journal of the American Chemical Society 105, nᵒ 18 (1 septembre 1983): 5781‑85. https://doi.org/10.1021/ja00356a014.
- Ameen, J. G., et H. F. Durfee. « The structure of metal carbonyls ». Journal of Chemical Education 48, nᵒ 6 (1 juin 1971): 372. https://doi.org/10.1021/ed048p372.
- Prince Nana Amaniampong. « Sonochemistry and sonocatalysis: Harnessing sound for enhanced catalytic-assisted reactions » L’Actualité Chimique le Journal de la SCF 489 (novembre 2023): 21‑25. new.societechimiquedefrance.fr/numero/sonochemistry-and-sonocatalysis-harnessing-sound-for-enhanced-catalytic-assisted-reactions-p21-n489/
- Pizzuti, Lucas, Luciana A. Piovesan, Alex F. C. Flores, Frank H. Quina, et Claudio M. P. Pereira. « Environmentally friendly sonocatalysis promoted preparation of 1-thiocarbamoyl-3,5-diaryl-4,5-dihydro-1H-pyrazoles ». Ultrasonics Sonochemistry 16, nᵒ 6 (1 août 2009): 728‑31. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2009.02.005.
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- (en) Sergey I. Nikitenko, « Photocatalysis and Sonocatalysis for Environmental Applications: Synergy or Competition? », Catalysts, vol. 14, no 1, , p. 2 (ISSN 2073-4344, DOI 10.3390/catal14010002, lire en ligne, consulté le )
- Xu, Yifan, Sergey Komarov, Takuya Yamamoto, et Takaaki Kutsuzawa. « Enhancement and Mechanism of Rhodamine B Decomposition in Cavitation-Assisted Plasma Treatment Combined with Fenton Reactions ». Catalysts 12, nᵒ 12 (décembre 2022): 1491. https://doi.org/10.3390/catal12121491.
