Quand les aimants ne s'accordent pas : la mécanique quantique décrypte le catalyseur à base de fer
Vers des catalyseurs plus efficaces pour réduire les émissions mondiales de CO2
Les catalyseurs sont indispensables à la production à grande échelle de nombreux produits chimiques, car ils accélèrent les réactions chimiques. Certains d'entre eux contiennent des atomes de métal, comme le fer, en tant qu'éléments de base. Les électrons de chaque atome de fer possèdent un minuscule moment magnétique, appelé spin. Lorsque plusieurs atomes de fer se rencontrent dans un catalyseur, la façon dont leurs spins sont orientés les uns par rapport aux autres est cruciale. Une équipe de chercheurs de l'université de Vienne a pu déchiffrer le mode d'action d'un catalyseur à base de fer à l'aide de calculs de mécanique quantique. Ils ont montré que le phénomène de superposition stabilise le catalyseur et le rend plus efficace.
Cellule MIL-101(Fe) avec centre de fer triangulaire élargi autour de l'oxygène central (rouge foncé). Le spin du troisième fer, marqué d'un point d'interrogation, doit choisir entre alpha (haut) et bêta (bas), ce qui signifie qu'il ne peut jamais y avoir une quantité égale des deux types. Le troisième atome est frustré sur le plan du spin.
© Dr. Johannes Dietschreit
La synthèse de l'ammoniac à partir de l'azote et de l'hydrogène est un processus chimique clé, principalement utilisé pour la production d'engrais, et représente actuellement environ 2 % de la consommation mondiale d'énergie. La recherche de nouveaux catalyseurs plus efficaces pour la production d'ammoniac est donc un facteur important dans la réduction des émissions mondiales deCO2.
Un candidat prometteur est le MIL-101(Fe), une structure organique métallique (MOF) dans laquelle trois atomes de fer sont disposés en triangle autour d'un atome d'oxygène central. Parallèlement aux études expérimentales, les chercheurs tentent depuis des années de comprendre la structure et les propriétés de ce matériau à l'aide de simulations informatiques, afin d'élucider les mécanismes qui sous-tendent son activité catalytique au niveau atomique.
Jusqu'à présent, on supposait que les spins des trois atomes de fer étaient alignés parallèlement les uns aux autres. L'équipe dirigée par Leticia González (Faculté de chimie) et Georg Kresse (Faculté de physique), tous deux membres du pôle d'excellence FWF "Matériaux pour la conversion et le stockage de l'énergie (MECS)", vient de montrer que les spins sont idéalement alignés de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres. Cependant, comme chaque atome de fer a deux voisins, cette condition ne peut pas être remplie pour les trois simultanément : deux des trois atomes de fer peuvent satisfaire à cette condition, mais le troisième est toujours parallèle à un voisin et antiparallèle à l'autre. Les physiciens parlent d'un état de spin frustré.
"On peut imaginer cela comme trois personnes essayant de s'asseoir autour d'une table ronde, chacune voulant s'asseoir directement en face de quelqu'un d'autre. Ce n'est pas possible pour les trois personnes en même temps, ce qui entraîne la frustration de l'une d'entre elles", explique Patrick Lechner, premier auteur de l'étude publiée dans Angewandte Chemie International Edition.
Contrairement à la physique classique, la mécanique quantique permet de décrire de tels états "de manière satisfaisante pour toutes les parties" : toutes les configurations possibles coexistent simultanément sous la forme de ce que l'on appelle une superposition. Les différentes configurations de spin existent en même temps, et le système global ne peut être décrit avec précision que si toutes ces possibilités sont prises en compte. Ce principe rappelle la célèbre expérience de pensée de Schrödinger avec le chat qui est à la fois vivant et mort jusqu'à ce que son état soit mesuré - une situation similaire se produit avec la frustration de spin. "Cette frustration magnétique, qui ne peut s'expliquer que par une superposition de différents états quantiques, stabilise la structure du catalyseur et permet une interaction particulièrement efficace avec les petites molécules de gaz telles que le N2 et le CO, ce qui explique son activité catalytique", explique M. González.
L'étude de ces grappes de fer triangulaires, publiée dans Angewandte Chemie International Edition, pourrait à long terme contribuer à accroître l'efficacité et les performances de ces catalyseurs et ouvrir ainsi la voie à une production d'ammoniac plus durable.
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
Patrick Lechner, Gaurab Ganguly, Michael J. Sahre, Georg Kresse, Johannes C. B. Dietschreit, Leticia González. Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal-Organic Frameworks with Triangular Iron(III)-oxo Clusters. In Angew. Chem. Int. Ed. (2025)
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