Observer les nanoparticules catalytiques au travail
Métal et oxyde : le succès n'est possible qu'en combinaison
Que se passe-t-il exactement lors de la production de gaz de synthèse ? De nouvelles méthodes permettent d'observer le processus en temps réel. Cela a permis de répondre en détail à la question du fonctionnement des catalyseurs.
Images à résolution atomique des structures et interfaces de PdO (rouge) et de Pd (bleu), avec une illustration correspondante de la surface des catalyseurs (à droite) et du microréacteur au microscope électronique (à gauche).
TU Wien
Pour de nombreuses applications industrielles, on a besoin de gaz de synthèse, également appelé "Syngas", un mélange d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO). Outre la méthode de production établie via le reformage à la vapeur, le gaz de synthèse peut également être produit - et de manière encore plus économe en énergie - à partir de méthane (CH₄) et d'oxygène. Toutefois, dans ce processus, l'oxydation totale (combustion) du méthane enCO2 etH2Odoit être évitée, c'est pourquoi la production de gaz de synthèse fait l'objet de recherches intensives dans le monde entier.
Des catalyseurs contenant des éléments tels que le palladium sont utilisés à cette fin. Toutefois, jusqu'à présent, on ne savait pas exactement comment la conversion du méthane en gaz de synthèse se déroulait sur les surfaces de palladium. Grâce à une collaboration entre la TU Wien et l'université nationale de Singapour (NUS), il a été possible d'observer le processus en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution - appelée TEM operando - combinée à des simulations informatiques. Les résultats montrent que la réaction nécessite une synergie entre différentes régions du catalyseur.
Palladium et oxyde de palladium
"Le méthane est le principal composant du gaz naturel. Aujourd'hui, nous ne l'utilisons pas seulement pour le chauffage - ce qui est problématique pour des raisons de réchauffement climatique - mais aussi comme matière première pour la production de produits chimiques et de carburants", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de l'Université technique de Vienne (TU Wien). "Même à l'avenir, le méthane jouera donc un rôle dans la production de gaz de synthèse et ne pourra probablement pas être complètement remplacé au cours de la prochaine décennie.
C'est pourquoi des recherches intensives sont menées aujourd'hui pour trouver de nouveaux procédés permettant de produire plus efficacement du gaz de synthèse à partir du méthane tout en évitant la suroxydation, c'est-à-dire la combustion en CO₂ et en eau. Ce processus est appelé "oxydation partielle du méthane" (POM). "Ces dernières années, nous avons étudié l'oxydation partielle du méthane sur différents catalyseurs, dont la plupart étaient à base de nickel", explique M. Rupprechter.
Un microréacteur dans un microscope électronique
On savait déjà que les catalyseurs constitués de nanoparticules métalliques fonctionnaient bien. Mais la question en suspens était de savoir ce qu'il advient exactement des nanoparticules métalliques individuelles au cours de la réaction catalytique. "En particulier, nous voulions savoir si, lorsque la réaction est effectuée avec des nanoparticules de palladium, c'est le palladium lui-même qui est responsable de la catalyse ou l'oxyde de palladium qui se forme au cours de la réaction.
Cette question a pu être abordée pour la première fois grâce à une combinaison d'approches avancées : L'équipe a observé les nanoparticules en temps réel pendant la réaction catalytique en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution. Parallèlement, la spectrométrie de masse a été utilisée pour contrôler quels produits se forment à quel moment, le tout complété par des simulations informatiques. Cette combinaison a permis, pour la première fois, d'obtenir une image mécaniste plus précise du processus.
Comment fonctionne le catalyseur ?
Alexander Genest, de l'équipe de la TU Wien, qui était auparavant affilié au centre de calcul de haute performance A*STAR à Singapour, a maintenu la collaboration entre la TU Wien et Singapour au fil des ans. "En utilisant la modélisation informatique, nous avions déjà étudié l'oxydation des nanoparticules de Pd et l'oxydation du CO, de sorte que l'extension à l'oxydation du méthane était une cible très prometteuse", explique Alexander Genest.
Avec la doctorante Parinya (Lewis) Tangpakonsab, il a effectué des simulations basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour étudier l'activation du méthane et les étapes de réaction qui s'ensuivent. "Nous voulions comprendre l'origine de l'oxydation partielle et totale et clarifier ce qui se passe exactement au niveau atomique", explique Tangpakonsab.
Métal et oxyde : le succès n'est possible qu'en combinaison
Le résultat s'est avéré plus complexe que prévu : ni le métal ni l'oxyde métallique ne sont responsables à eux seuls de la catalyse. "Les deux phases assument des tâches différentes", explique Günther Rupprechter. "Le palladium déshydrogène le méthane en carbone et en hydrogène, tandis que l'oxyde de palladium oxyde le carbone en CO". Cela signifie que la catalyse la plus efficace peut avoir lieu uniquement dans les régions limites entre le palladium et l'oxyde de palladium.
"Notre groupe a déjà été très actif dans la microscopie électronique des réactions d'oxydation de surface dans le passé, mais cette nouvelle étude operando-TEM étend ce travail aux conditions industrielles. Avec le soutien du pôle d'excellence MECS, nous disposerons bientôt de cellules de réacteur spéciales également disponibles à l'Université de Vienne pour des examens Operando-TEM similaires", déclare Günther Rupprechter, directeur de recherche de MECS.
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