La nouvelle approche des catalyseurs combine le meilleur de deux mondes
Catalyse homogène et hétérogène : une synthèse de deux principes
Une équipe du Forschungszentrum Jülich et de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle a mis au point une nouvelle approche pour un catalyseur qui combine les avantages des deux méthodes de catalyse les plus couramment utilisées. La nouvelle approche catalytique est basée sur le métal iridium et a permis de multiplier par cinq l'activité des systèmes de référence précédents en laboratoire, tout en conservant une grande stabilité pendant plusieurs jours. Il était auparavant considéré comme difficile d'obtenir à la fois une activité élevée et une stabilité à long terme. Ces résultats pourraient permettre d'accroître encore l'efficacité de l'iridium, un matériau catalytique très actif mais coûteux, et contribuer ainsi de manière significative à faire progresser l'utilisation de l'hydrogène vert comme solution de stockage d'énergie respectueuse du climat. L'équipe a publié ses résultats dans la revue EES Catalysis de la Royal Society of Chemistry.
Des catalyseurs pour l'économie de l'hydrogène
L'hydrogène vert joue un rôle important en tant que moyen de stockage de l'énergie dans le système énergétique respectueux du climat de l'avenir. Pour l'utiliser, l'hydrogène doit être efficacement stocké, transporté et libéré en cas de besoin. L'un des principaux défis consiste à rendre ce gaz hautement volatil aussi facile à utiliser que possible. Les substances porteuses telles que l'ammoniac, le méthanol, l'acide formique et les molécules apparentées sont des solutions potentielles. Les catalyseurs sont nécessaires pour lier l'hydrogène à ces molécules et le libérer à nouveau : ils accélèrent les réactions nécessaires ou les rendent possibles et économiquement viables en premier lieu.
Catalyse homogène et hétérogène : une synthèse de deux principes
La nouveauté de l'approche Jülich-Aachen réside dans la combinaison de deux mondes de la catalyse : la catalyse homogène et la catalyse hétérogène. On parle de catalyse homogène lorsque le catalyseur et la substance qui réagit, appelée réactif, sont dans la même phase - gazeuse ou liquide, par exemple. Dans la catalyse hétérogène, le catalyseur est un solide et le réactif est gazeux ou liquide. Les avantages de la catalyse hétérogène sont que le catalyseur et le réactif peuvent être séparés proprement et facilement, ce qui réduit les coûts. La catalyse homogène, en revanche, a le potentiel d'être plus active et sélective car tous les atomes du matériau catalytique peuvent être actifs. En outre, la structure et l'environnement chimique du catalyseur peuvent être adaptés avec précision à une réaction spécifique. Dans un solide, en revanche, les atomes de la nanoparticule restent inactifs, puisqu'ils n'entrent pas en contact avec les réactifs.
Normalement, l'équipe composée de l'Institut pour une économie durable de l'hydrogène - Matériaux catalytiques pour le stockage chimique de l'hydrogène (INW-2) du Forschungszentrum Jülich et de la chaire de catalyse hétérogène et de chimie technique de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle se concentre principalement sur la catalyse hétérogène. "Avec le nouveau catalyseur, nous avons essayé d'exploiter les meilleurs aspects de l'autre monde - dans notre cas, la catalyse homogène - pour le nôtre", explique le professeur Regina Palkovits, qui dirige à la fois l'INW-2 et la chaire d'Aix-la-Chapelle.
Hautement active et facilement séparable
La terpyridine joue ici un rôle central : c'est une molécule qui lie fortement les atomes de métal comme l'iridium. Pour les chercheurs de Jülich et d'Aix-la-Chapelle, il était crucial d'intégrer la structure de la terpyridine, qui peut lier l'iridium de manière très stable, dans un polymère. Un polymère est un composé chimique constitué de nombreux petits éléments répétitifs. Le résultat est un catalyseur moléculaire solide (SMC). "De cette manière, l'iridium peut être séparé du réactif comme dans la catalyse hétérogène - dans ce cas, en tant que composant du polymère de terpyridine", explique Keanu Birkelbach, auteur principal de la publication. "En même temps, chaque atome d'iridium dans le SMC forme un centre catalytiquement actif, comme c'est le cas dans la catalyse homogène. Cette combinaison d'une activité plus élevée et d'une meilleure séparabilité est nouvelle. L'iridium peut être utilisé plus efficacement et récupéré. Compte tenu de son prix élevé sur le marché mondial, cela offre un grand potentiel d'économies. L'iridium est actuellement environ 50 % plus cher que l'or.
Prochaines étapes : mise à l'échelle et matériaux alternatifs
Selon Keanu Birkelbach, les prochaines étapes pourraient consister à étendre le réacteur au-delà de l'échelle du laboratoire et à remplacer l'iridium coûteux par un métal plus abordable et plus actif sur le plan catalytique. D'autres molécules porteuses d'hydrogène pourraient également être testées. En laboratoire, l'équipe de Jülich et d'Aix-la-Chapelle a utilisé le catalyseur à base d'iridium défini au niveau moléculaire pour libérer de l'hydrogène à partir de l'acide formique.
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