La sélectivité du catalyseur, un "jeu d'équilibriste"
L'étude suggère un changement dans la façon dont les chimistes devraient envisager la catalyse hétérogène
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Des chercheurs des départements de chimie inorganique de l'Institut Fritz Haber ont révélé comment les changements structurels à la surface et dans la zone de masse du catalyseur d'oxyde de cobalt Co3O4 influencent sa sélectivité dans la production de produits chimiques d'intérêt industriel tels que l'acétone. Ils ont découvert qu'un état métastable, structurellement "piégé", présente l'activité catalytique la plus élevée - une découverte importante pour la conception de catalyseurs.
Images au microscope des expériences TEM operando : Changements de la structure de surface des nanoparticules de catalyseur observés lors de la modification de la température.
© FHI
La catalyse hétérogène, pierre angulaire de l'industrie chimique
De la synthèse de l'ammoniac à la production de matières plastiques, la catalyse hétérogène est un processus fondamental de l'industrie chimique. Le catalyseur est souvent sous forme solide, tandis que les autres réactifs sont liquides ou gazeux, ce qui est idéal pour séparer les produits de la réaction à la fin. C'est pourquoi de nombreuses recherches sont consacrées au développement et au perfectionnement des catalyseurs hétérogènes. Cette étude souligne que les résultats concernant les processus à la surface du catalyseur doivent être pris en compte.
Le rôle de la sélectivité dans la catalyse
Le catalyseur idéal peut favoriser une réaction spécifique souhaitée alors que plusieurs réactions sont possibles - il est sélectif. Cette propriété, qui peut être contrôlée par la conception du catalyseur, est cruciale pour les processus industriels car elle améliore la pureté du produit et permet d'économiser de l'énergie, en évitant les processus lourds de séparation des produits après la réaction. Cependant, on ignore souvent ce qui détermine exactement la sélectivité au niveau moléculaire. Pour le comprendre, l'équipe de recherche de notre institut utilise des méthodes operando qui lui permettent d'observer les catalyseurs "au travail".
Une nouvelle compréhension de l'oxydation catalytique
Dans leur récente étude, l'équipe de recherche met en lumière un important processus industriel catalysé de manière hétérogène dans lequel la sélectivité joue un rôle important : l'oxydation de l'isopropanol (2-propanol) en acétone en utilisant de l'oxyde de cobalt (Co₃O₄) pour la catalyse thermique. Ils combinent la spectroscopie à rayons X operando et la microscopie électronique à transmission operando pour mieux comprendre les performances du catalyseur, en particulier la façon dont elles sont influencées par les processus qui se déroulent à la surface du catalyseur et à l'intérieur de celui-ci (la région en vrac).
Comment les réactions de surface influencent-elles les performances du catalyseur ?
La comparaison des mesures de l'activité du catalyseur dans un réacteur et les informations operando sur les changements structurels au cours du fonctionnement du catalyseur permettent de distinguer deux phases d'activité : l'une en dessous et l'autre au-dessus de 200 °C. À basse température, un réseau de processus à l'état solide, tels que la diffusion et la formation de défauts, déforme la structure du catalyseur, ce qui contrôle les propriétés catalytiques du Co3O4, tandis qu'à plus haute température, l'ordre cristallin domine.
Il est intéressant de noter que la combinaison idéale d'activité et de sélectivité se trouve à 200 °C, c'est-à-dire à la limite entre les deux phases. À cet endroit, on peut considérer que le catalyseur est piégé dans une transition entre deux états énergétiquement équivalents, où de petites modifications des conditions peuvent faire basculer le système d'un état à l'autre. Il est souhaitable de maintenir le catalyseur dans cet état pour optimiser ses performances. Cela peut être réalisé en créant des conditions de travail optimales, mais peut également être amélioré par la conception du catalyseur et un prétraitement approprié.
Importance des résultats
Les résultats de l'étude remettent en question la conception conventionnelle des catalyseurs. L'étude suggère que la recherche d'un catalyseur cristallin "parfait et stable" peut parfois être sous-optimale. Les auteurs montrent plutôt que les changements structurels de la surface déterminent de manière critique l'activité et la sélectivité des catalyseurs d'oxydation. Leur méthodologie, qui combine la spectroscopie operando, la microscopie et les mesures d'activité, établit une référence pour l'étude des catalyseurs dans des conditions réalistes, en saisissant un comportement dynamique qui est invisible dans les analyses couramment utilisées.
Enfin, l'étude suggère même un changement dans la manière dont les chimistes devraient envisager la catalyse hétérogène : Les surfaces des catalyseurs ne devraient plus être perçues comme statiques, mais comme des matériaux dynamiques où la restructuration interne, la chimie des défauts et les transitions métastables ont une grande importance.
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 Götsch, Daniel Cruz, Patrick Zeller, Anna Rabe, Maik Dreyer, Nicolas Cosanne, Frank Girgsdies, Jasmin Allan, Michael Hävecker, Anna Efimenko, Mihaela Gorgoi, Sharif Najafishirtari, Malte Behrens, Robert Schlögl, Axel Knop-Gericke, Thomas Lunkenbein; "Local solid-state processes adjust the selectivity in catalytic oxidation reactions on cobalt oxides"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-11-18
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