Les nano-catalyseurs recyclage par magnétisme

Cette expérience a pour but de démontrer la fonction catalytique de nanoparticules et leur recyclage par magnétisme. Afin de bien comprendre l’expérience, il est important de retenir quelques concepts importants autour desquels l’expérience va tourner.

Nanoparticules : Ce sont de très petites particules dont la taille varie entre 1 à 100 nanomètres ( 1 nm = 10^-9 m)³. C’est cette petite taille qui leur confère des propriétés physiques et chimiques différentes des matériaux normaux.

• Pour notre expérience, nous avons utilisé des nanoparticules d’oxyde de fer (Fe₃O₄).

Oxydo-réduction : Réaction durant laquelle se déroule un transfert d’électrons.

• Notre expérience est basée sur une réaction d’oxydo-réduction dans laquelle le TMB (3,3′,5,5′-Tétraméthylbenzidine) va se faire oxyder par du peroxyde d’hydrogène et ainsi changer de couleur.

Le TMB est incolore à la base et va devenir vert après oxydation.

Catalyse : C’est une accélération de réaction chimique grâce à l’effet d’une substance que l’on nomme catalyseur. Une réaction a besoin de suffisamment d’énergie pour que la réaction ait lieu, cette énergie qu’il faut atteindre est appelé « Energie d’activation ». En présence d’un catalyseur, l’énergie d’activation va baisser et la réaction se fera donc plus rapidement.

• Dans notre cas, ce sont les nanoparticules qui vont accomplir ce rôle de catalyseur.

Magnétisme : C’est un ensemble de phénomènes physiques et chimiques dans lesquels les objets vont exercer des forces attractives ou répulsives entre elles⁶.

• Dans notre cas, les nanoparticules vont être attirées par un aimant sous cet effet de magnétisme et c’est ce qui va nous permettre de les séparer et de les réutiliser.

Objectifs :

L’expérience se base sur 3 objectifs importants :

1^er objectif : Montrer l’oxydation du TMB par le peroxyde d’hydrogène et que cette réaction est bien accélérée par les nanocatalyseurs.

2^ème objectif : Montrer si la réaction a lieu si tous les réactifs ne sont présents dans le flacon.

3^ème objectif : Montrer que les nanocatalyseurs peuvent être récupérés par magnétisme et qu’ils peuvent être réutilisés.

Résultats :

Nous pouvons atteindre notre premier objectif en comparant 2 flacons. L’un (flacon B) où l’on va mettre le TMB et le peroxyde d’hydrogène mais SANS nanoparticules et l’autre (flacon D) où l’on va mettre le TMB et le peroxyde d’hydrogène AVEC nanoparticules. Ainsi nous pouvons comparer le temps que la réaction met pour avoir lieu et voir si nos nanoparticules catalysent bien la réaction.

Résultats : Le constat est sans appel, la flacon D AVEC nanoparticules va avoir lieu en quelques secondes alors que le flacon B SANS nanoparticules ne changera pas de couleur même après plusieurs heures d’attentes. Nos nanoparticules catalysent donc fortement notre réaction.

Pour notre deuxième objectif,  nous allons prendre 2 nouveaux flacons :

• 1 flacon A contenant les nanoparticules de fer ainsi que le peroxyde d’hydrogène.
• 1 flacon C contenant les nanoparticules de fer, de l’eau ainsi que le TMB.

Résultats : Il ne se passe rien dans les 2 flacons ce qui est logique vu que dans l’un et l’autre flacon, il manque soit le TMB soit le peroxyde d’hydrogène, la réaction d’oxydo-réduction ne peut donc se dérouler et les nanoparticules n’ont rien à catalyser.

Pour notre troisième objectif, nous allons reprendre le flacon D (contenant tous les réactifs) et placer un aimant sur le bord du flacon.

Résultats : Les nanoparticules vont être attirées par magnétisme sur le bord du flacon ce qui nous permet de les séparer de la solution de TMB oxydé. Une fois les nanoparticules séparés et lavés, nous remettons une solution de TMB et de peroxyde d’hydrogène afin de voir si la réaction va être catalysée avec des nanoparticules déjà utilisées. Et effectivement, la réaction est catalysée et nous obtenons le même résultat. Nous pouvons répéter cela plusieurs fois en obtenant le même résultat à chaque fois. Les nanoparticules sont donc récupérables par magnétisme et réutilisables.

Conclusion

Cette expérience permet de démontrer que des nanoparticules peuvent catalyser une réaction et que celles-ci sont facilement recyclables par magnétisme. C’est une avancé pour la Chimie verte car les catalyseurs habituels ne sont pas recyclables et produisent beaucoup de déchets.