De nouveaux catalyseurs chimiques durables

Les ingénieurs utilisent des catalyseurs pour un large éventail d'applications allant de la fabrication de produits alimentaires à la production chimique. Trouver des catalyseurs efficaces et respectueux de l'environnement est donc une voie de recherche importante.

De nouvelles recherches menées par la Swanson School of Engineering de l'université de Pittsburgh pourraient conduire à la création de nouveaux catalyseurs durables à base d'oxyde de tungstène et de composés similaires.

Le projet a utilisé des simulations informatiques pour comprendre comment l'oxyde de tungstène interagit avec l'hydrogène au niveau moléculaire et les résultats ont été vérifiés par des expériences en laboratoire.

Un article détaillant les résultats a récemment fait la couverture du Journal of the American Chemical Society (JACS) et a été rédigé par une équipe du département de génie chimique et pétrolier : Le candidat au doctorat Evan V. Miu, le professeur adjoint James McKone et le professeur associé et ancien membre de la faculté du Bicentenaire Giannis Mpourmpakis.

"L'oxyde de tungstène est un catalyseur qui peut être utilisé pour accélérer les conversions chimiques durables en utilisant la lumière du soleil ou l'électricité renouvelable. Ce composé chimique a une façon unique d'interagir avec les atomes d'hydrogène, ce qui le rend particulièrement efficace pour participer à des réactions chimiques où l'hydrogène doit être produit ou utilisé", a déclaré Mpourmpakis.

"Les types de réactions chimiques qui nous enthousiasment le plus comprennent l'utilisation de l'hydrogène pour transformer le dioxyde de carbone, principal responsable du réchauffement climatique, en carburants et produits chimiques utiles", a ajouté M. McKone.

Alors que la plupart des catalyseurs n'interagissent avec des molécules comme l'hydrogène que sur leur surface, l'oxyde de tungstène peut également insérer de l'hydrogène dans son réseau cristallin tridimensionnel. La modélisation avancée des chercheurs a permis de montrer que ce processus a un impact énorme sur ce qui se passe réellement à la surface du catalyseur.

Ces travaux ouvrent la possibilité de concevoir une toute nouvelle famille de catalyseurs à base d'oxyde de tungstène et de composés similaires, en utilisant l'approche computationnelle de l'équipe pour prédire leurs propriétés catalytiques.

"Il n'est pas exagéré de dire que nous pouvons tracer une ligne droite entre la science subtile contenue dans cette étude et la possibilité de réinventer une grande partie de la fabrication chimique pour la rendre plus durable sur le plan environnemental", a déclaré McKone. "Nous pouvons concevoir des catalyseurs pour délivrer l'hydrogène de la bonne manière afin de réaliser des conversions chimiques fonctionnant à l'eau et à l'électricité tout aussi efficacement que ce que nous faisons aujourd'hui en utilisant des combustibles fossiles."

Ce projet est le fruit d'une collaboration entre le laboratoire CANELa de Mpourmpakis et le laboratoire McKone, où l'auteur principal, Miu, est un boursier de la NSF qui travaille sur le rapprochement de la catalyse thermique et électrique en appliquant des méthodes expérimentales et computationnelles.

"Travailler avec les professeurs Mpourmpakis et McKone m'a donné une opportunité incroyable d'opérer à l'interface de la théorie et de l'expérience", a déclaré Miu. "Ces perspectives complémentaires nous ont aidés à comprendre en profondeur comment les bronzes d'oxyde métallique catalysent l'hydrogène, et nous sommes impatients d'appliquer nos découvertes et de faire des pas significatifs vers des processus chimiques plus durables."