Des réactions chimiques se produisent constamment autour de nous – c’est évident quand on y pense, mais combien d’entre nous en provoquent réellement lorsqu’ils démarrent une voiture, font bouillir un œuf ou fertilisent leur pelouse ?
Richard Kong, expert en catalyse chimique, s'intéresse aux réactions chimiques. Dans son travail de « régulateur professionnel », comme il le définit lui-même, il ne se contente pas d'observer les réactions spontanées, mais cherche également à en identifier de nouvelles.
En tant que boursière Klarman en chimie et biologie chimique au sein du Collège des arts et des sciences, Kong travaille au développement de catalyseurs qui orientent les réactions chimiques vers les résultats souhaités, créant ainsi des produits sûrs et même à valeur ajoutée, y compris ceux qui peuvent avoir un impact positif sur la santé des personnes. Mercredi.
« Un nombre important de réactions chimiques se produisent spontanément », a déclaré Kong, faisant référence au rejet de dioxyde de carbone lors de la combustion des énergies fossiles par les voitures. « Mais les réactions chimiques plus complexes ne se produisent pas automatiquement. C’est là qu’intervient la catalyse chimique. »
Kong et ses collègues ont mis au point des catalyseurs pour orienter les réactions souhaitées. Par exemple, le dioxyde de carbone peut être converti en acide formique, en méthanol ou en formaldéhyde en choisissant le catalyseur approprié et en optimisant les conditions réactionnelles.
Selon Kyle Lancaster, professeur de chimie et de biologie chimique (Faculté des arts et des sciences) et modérateur de Kong, l'approche de ce dernier s'inscrit parfaitement dans la démarche « axée sur la découverte » du laboratoire de Lancaster. « Richard a eu l'idée d'utiliser l'étain pour améliorer ses réactions chimiques, ce qui n'était absolument pas prévu dans mon projet », a déclaré Lancaster. « Il dispose d'un catalyseur capable de convertir sélectivement le dioxyde de carbone, dont on parle beaucoup dans la presse, en une substance plus précieuse. »
Kong et ses collaborateurs ont récemment découvert un système qui, dans certaines conditions, peut convertir le dioxyde de carbone en acide formique.
« Bien que notre système ne soit pas encore à la pointe de la technologie en matière de réactivité, il est hautement personnalisable », a déclaré Kong. « Ainsi, nous pouvons mieux comprendre pourquoi certains catalyseurs sont plus rapides que d'autres, et pourquoi certains sont intrinsèquement meilleurs. Nous pouvons ajuster les paramètres des catalyseurs et tenter de comprendre ce qui les rend plus performants, car plus ils sont rapides, plus ils sont performants, et plus la synthèse moléculaire est rapide. »
En tant que boursier Klarman, Kong travaille également à éliminer les nitrates, un engrais courant qui s'infiltre de manière toxique dans les cours d'eau, de l'environnement et à les transformer en substances plus inoffensives, a-t-il déclaré.
Kong a expérimenté l'utilisation de métaux présents dans la terre, comme l'aluminium et l'étain, comme catalyseurs. Ces métaux sont bon marché, non toxiques et abondants dans la croûte terrestre ; leur utilisation ne pose donc pas de problèmes de durabilité, a-t-il affirmé.
« Nous travaillons également sur la fabrication de catalyseurs où deux métaux interagissent », a déclaré Kong. « En utilisant deux métaux dans une même structure, quelles réactions et quels processus chimiques intéressants pouvons-nous obtenir à partir de systèmes bimétalliques ? »
« Les forêts constituent l’environnement chimique qui retient ces métaux ; elles sont essentielles pour libérer le potentiel de ces métaux et leur permettre de remplir leur fonction, tout comme il faut porter les vêtements adaptés à la météo », a déclaré Kong.
Depuis 70 ans, la norme consiste à utiliser un seul centre métallique pour réaliser des transitions chimiques. Cependant, depuis une dizaine d'années, les chimistes du domaine ont commencé à étudier l'association de deux métaux, soit chimiquement, soit en les plaçant à proximité immédiate. Premièrement, explique Kong, « cela offre davantage de possibilités ».
Ces catalyseurs bimétalliques permettent aux chimistes de combiner différents catalyseurs métalliques en fonction de leurs forces et faiblesses, explique Kong. Par exemple, un centre métallique qui se lie mal aux substrats mais qui les rompt bien peut fonctionner avec un autre centre métallique qui rompt mal les liaisons mais qui se lie bien aux substrats. La présence du second métal influence également les propriétés du premier.
« On observe alors ce que l’on appelle un effet synergique entre les deux centres métalliques », a déclaré Kong. « Le domaine de la catalyse bimétallique révèle déjà une réactivité vraiment unique et remarquable. »
Kong a déclaré que de nombreuses zones d'ombre subsistaient quant à la manière dont les métaux se lient entre eux dans les composés moléculaires. Il était aussi enthousiasmé par la beauté de la chimie elle-même que par les résultats obtenus. Kong a été recruté par les laboratoires de Lancaster pour leur expertise en spectroscopie des rayons X.
« C’est une symbiose », a déclaré Lancaster. « La spectroscopie des rayons X a permis à Richard de comprendre ce qui se passait en coulisses et pourquoi l’étain est particulièrement réactif et capable de cette réaction chimique. Nous avons bénéficié de ses vastes connaissances en chimie des éléments des groupes majeurs, ce qui a ouvert la voie à un nouveau domaine d’exploration pour notre équipe. »
Tout repose sur la chimie fondamentale et la recherche, explique Kong, et cette approche est rendue possible grâce à une bourse Open Klarman.
« Au quotidien, je peux réaliser des réactions en laboratoire ou simuler des molécules sur ordinateur », a-t-il expliqué. « Nous cherchons à obtenir une image aussi complète que possible de l’activité chimique. »