Mise en évidence de l'origine catalytique non thermique de la catalyse favorisée par le courant continu pour la transformation économe en énergie des gaz à effet de serre en produits chimiques de valeur
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Le reformage catalytique à sec du méthane (DRM) est une réaction clé pour l'utilisation durable des principaux gaz à effet de serre, le CO 2 et le CH 4 . Cependant, le reformage à sec conventionnel souffre souvent d'une désactivation sévère du catalyseur en raison des exigences de température élevées. L'application du courant continu (CC) aux matériaux catalytiques est apparue comme une stratégie prometteuse pour surmonter ces limitations, mais le mécanisme catalytique sous-jacent amélioré par le CC reste insaisissable. Ici, nous dévoilons l'origine catalytique non thermique du DRM appliqué par courant continu sur Pd/CeO 2 grâce à des analyses operando multimodales, fournissant un cadre physico-chimique microscopique pour la conception rationnelle de catalyseurs DRM de la prochaine génération au-delà des limites de la catalyse thermique conventionnelle.
Illustration schématique des analyses multimodales operando du catalyseur CeO2 chargé en palladium sous application de courant continu.
American Chemical Society
Le reformage catalytique à sec du méthane (DRM) offre une stratégie prometteuse pour l'utilisation durable des gaz à effet de serre, CH 4 et CO 2 . Cependant, son application pratique a longtemps été entravée par la désactivation sévère du catalyseur dans des conditions thermiques difficiles, généralement supérieures à 800 °C. Ces dernières années, la catalyse sous courant continu (CC) est apparue comme une approche non thermique révolutionnaire qui permet à la DRM de se dérouler à des températures nettement plus basses (~200 °C) avec une activité et une stabilité catalytiques accrues. Malgré ces progrès, l'origine physico-chimique microscopique sous-jacente de l'amélioration catalytique appliquée au courant continu reste insaisissable. Des hypothèses concurrentes ont été proposées, notamment les effets du champ électrique, le mécanisme de charge induit par le courant, la protonique de surface et le chauffage par effet Joule, mais aucun cadre global n'a été établi. Cette ambiguïté continue d'entraver la conception rationnelle et l'optimisation des systèmes catalytiques appliqués au courant continu.
Dans ce travail, le groupe de recherche dirigé par Toshiki Sugimoto (professeur associé à l'Institute for Molecular Science) et Yasushi Sekine (professeur à l'université de Waseda) établit un mécanisme définitif basé sur la charge qui sous-tend l'amélioration catalytique non thermique observée dans le DRM appliqué par courant continu, en se concentrant sur le Pd/CeO 2 en tant que catalyseur modèle. En combinant des analyses multimodales operando, y compris l'imagerie thermique infrarouge (IR), les spectroscopies à résolution spatiale dans l'IR moyen et l'IR visible à proche intégré avec la spectrométrie de masse en temps réel, et la spectroscopie d'absorption des rayons X doux ex-situ, le groupe de recherche a directement identifié des intermédiaires réactionnels clés dans la DRM non thermique qui émergent exclusivement dans les domaines porteurs de courant sous l'application du courant continu (Figure 1). Notamment, l'activité de la DRM présente une corrélation positive avec le courant appliqué et la conductivité électrique, mais une corrélation négative avec la tension appliquée, ce qui indique que l'amélioration catalytique est régie par l'injection de charges plutôt que par l'intensité du champ électrique et le chauffage par effet Joule. Le groupe de recherche a réussi à détecter les électrons et les trous générés dans le CeO 2 pendant l'application du courant continu et a révélé une corrélation quantitative entre la densité des charges injectées et l'activité DRM. En outre, l'analyse par spectroscopie de rayons X mous met en évidence un mécanisme non conventionnel de génération de trous dans le semi-conducteur CeO 2 nominalement de type n ; la déformation locale du réseau induite par la réduction partielle du Ce 4+ favorise le transfert d'électrons des orbitales O 2p aux orbitales Ce 4f par le biais d'un transfert de charge ligand-métal, permettant ainsi les cycles de réaction d'oxydoréduction essentiels à l'activité DRM. Ces résultats renversent la croyance conventionnelle selon laquelle l'oxydation induite par les trous est peu probable dans les semi-conducteurs de type n, et mettent plutôt en évidence un mécanisme coopératif entre les électrons piégés et les trous induits par la déformation comme origine microscopique de la catalyse non thermique sous application de courant continu.
Ainsi, cette étude établit non seulement un cadre physico-chimique noble pour comprendre l'amélioration catalytique non thermique dans les systèmes appliqués par courant continu, mais fournit également des principes directeurs pour la conception rationnelle de systèmes DRM catalytiques à basse température et résistants au coke pour la transformation chimique durable des gaz à effet de serre. En outre, la découverte d'une voie non conventionnelle de génération de trous par le biais d'une interaction non triviale entre les électrons et les trous dans un semi-conducteur nominalement de type n sous tension continue élargit la compréhension conventionnelle de la dynamique des porteurs de charge au-delà des modèles classiques de la physique des semi-conducteurs et fournit une nouvelle base conceptuelle dans le domaine interdisciplinaire de la catalyse hétérogène et de la science de l'état solide.
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.
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