Comment les fines bulles mènent à des catalyseurs plus efficaces
Un effet nouvellement découvert stimule la productivité des procédés de transport de l'hydrogène vert
Les catalyseurs sont d'une importance capitale pour la production de produits chimiques et le stockage d'énergie avec de l'hydrogène. Des chercheurs de l'Institut Helmholtz d'Erlangen-Nürnberg pour les énergies renouvelables (HI ERN) et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont découvert que la formation de bulles dans les pores d'un catalyseur peut être essentielle à son activité. Leurs résultats aident à optimiser les matériaux catalytiques pour les réactions dans lesquelles des gaz sont formés à partir de liquides - et qui jouent un rôle central dans une future économie verte de l'hydrogène.
Pastille de catalyseur pour le dégagement d'hydrogène
HI ERN / Thomas Solymosi
Les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques sans se consommer eux-mêmes. Un grand nombre de réactions dans la nature et dans l'industrie ne fonctionnent que grâce à leur aide. Par exemple, les catalyseurs sont utilisés dans environ 80 % de tous les processus de production chimique et jouent également un rôle important dans les technologies de stockage chimique de l'hydrogène.
Dans la plupart des cas, il s'agit de catalyseurs dits hétérogènes, qui se trouvent dans un état d'agrégation différent de celui des partenaires de la réaction. Les catalyseurs solides et poreux sont particulièrement importants ici, car ils peuvent être très bien séparés des produits de réaction liquides ou gazeux.
Les chercheurs du HI ERN et de la FAU ont maintenant découvert : La productivité de ce type de catalyseurs pour les réactions de génération de gaz peut être nettement augmentée si des bulles de gaz se forment particulièrement facilement dans les pores du catalyseur.
"Ce facteur supplémentaire, qui détermine de manière significative la vitesse de réaction, était jusqu'à présent inconnu. Jusqu'à présent, on supposait que la vitesse de réaction était déterminée uniquement par la réaction chimique de surface ou par le transport des molécules vers les centres actifs du catalyseur", explique le professeur Peter Wasserscheid, directeur de l'Institut Helmholtz Erlangen-Nürnberg, une branche du Centre de recherche Jülich, et responsable de la chaire d'ingénierie des réactions chimiques à la FAU.
Augmenter la productivité d'un facteur 50
La découverte a été faite à l'aide d'une réaction qui pourrait jouer un rôle clé dans le transport de l'hydrogène vert à l'avenir. À cette fin, l'hydrogène est stocké et transporté lié à un milieu porteur liquide - en l'occurrence le LOHC ("liquid organic hydrogen carrier") - pour en être ensuite libéré.
Cette technologie est considérée comme extrêmement sûre et facile à manipuler. Plus l'hydrogène peut être libéré rapidement du milieu porteur à l'aide d'un catalyseur, plus cette technologie peut être utilisée de manière compacte et puissante.
Les chercheurs du HI ERN et de la FAU ont pu montrer que, dans les mêmes conditions, 50 fois plus d'hydrogène est libéré du milieu porteur par unité de temps lorsque la formation de bulles de gaz dans les pores du catalyseur est induite dans le processus.
La raison de cette énorme différence : "Normalement, le système ne produit que de l'hydrogène dissous lors de la libération catalytique d'hydrogène. La saturation s'installe alors rapidement dans la phase liquide autour des centres actifs du catalyseur", explique Peter Wasserscheid.
Les bulles dans les pores du catalyseur, en revanche, agissent comme de minuscules pompes. Elles aident à évacuer l'hydrogène libéré. "Une fois qu'une bulle s'est formée dans un pore de catalyseur, la bulle en croissance recueille l'hydrogène formé. Lorsque la bulle se détache ensuite dans le liquide environnant, le porteur d'hydrogène chargé retourne dans le pore et le processus recommence", explique Peter Wasserscheid.
La formation de bulles, appelée nucléation, peut également être induite artificiellement, par exemple en modifiant chimiquement la surface du catalyseur ou par un stimulus mécanique. Ces résultats jettent un nouvel éclairage sur les facteurs limitant les performances de la catalyse hétérogène, qui sont d'une très grande importance, notamment pour l'économie verte de l'hydrogène du futur.
Les résultats ont été obtenus en collaboration entre les équipes des professeurs Jens Harting, Matthias Thommes, Nicolas Vogel et Peter Wasserscheid dans le cadre du programme de recherche collaborative DFG 1452 "Catalysis at liquid interfaces" et viennent d'être publiés dans la revue Science Advances.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Thomas Solymosi, Michael Geißelbrecht, Sophie Mayer, Michael Auer, Peter Leicht, Markus Terlinden, Paolo Malgaretti, Andreas Bösmann, Patrick Preuster, Jens Harting, Matthias Thommes, Nicolas Vogel, Peter Wasserscheid; Nucleation as a rate-determining step in catalytic gas generation reactions from liquid phase systems; Science Advances (16 November 2022)
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