L'utilisation d'atomes individuels pour parvenir à une chimie sans fossile
Des chimistes ont réalisé une percée dans la recherche sur la catalyse à plusieurs niveaux
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Le méthanol est une matière première essentielle pour les produits chimiques. Des chercheurs de l'ETH Zurich peuvent désormais produire ce précurseur à partir deCO2 et d'hydrogène avec une grande efficacité en utilisant des atomes de métal isolés comme catalyseurs.
Toute réaction chimique se heurte à un obstacle : pour que les substances réagissent entre elles, il faut d'abord leur fournir de l'énergie. Dans de nombreux cas, cette barrière énergétique est faible, comme lorsqu'on craque une allumette. Pour de nombreuses réactions clés dans l'industrie, cependant, elle est beaucoup plus importante, et l'augmentation des besoins en énergie fait grimper les coûts de production. Pour abaisser cette barrière, les chimistes utilisent des "auxiliaires de réaction" appelés catalyseurs. Les meilleures de ces substances contiennent des métaux, y compris, dans certains cas, des métaux rares.
Mieux, plus efficace et ne laissant rien au hasard
Aujourd'hui, des chimistes de l'ETH Zurich ont réalisé une percée dans la recherche sur la catalyse à plusieurs niveaux :
- Ils ont mis au point un catalyseur qui réduit considérablement la barrière énergétique pour la production de méthanol - un alcool - à partir du gaz à effet de serreCO2 et de l'hydrogène.
- Dans leur catalyseur, les chercheurs utilisent le métal indium de manière extrêmement efficace, en ce sens que chaque atome d'indium se comporte comme un site actif.
- Dans le passé, la recherche sur la catalyse suivait souvent une approche "hit or miss". Le catalyseur nouvellement découvert permet une analyse plus précise des mécanismes qui se déroulent à sa surface, ouvrant ainsi la voie à une conception rationnelle des catalyseurs.
Le couteau suisse de la chimie verte
"Le méthanol est un précurseur universel pour la production d'une large gamme de produits chimiques et de matériaux, tels que les plastiques - le couteau suisse de la chimie, en quelque sorte", explique Javier Pérez-Ramírez, professeur d'ingénierie de la catalyse à l'ETH Zurich. Le liquide joue donc un rôle essentiel dans la transition vers une production durable et sans énergie fossile de produits chimiques et de carburants.
Si l'énergie utilisée pour produire l'hydrogène et pour la catalyse est générée de manière durable, le méthanol peut même être produit de manière neutre sur le plan climatique. Cela permet d'utiliser leCO2 de l'atmosphère comme matière première au lieu de le rejeter comme c'est le cas aujourd'hui.
Utilisation maximale des métaux
"Notre nouveau catalyseur présente une architecture à atome unique, dans laquelle des atomes métalliques actifs isolés sont ancrés à la surface d'un matériau de support spécialement développé", explique M. Pérez-Ramírez. Dans les catalyseurs conventionnels, en revanche, les métaux sont généralement présents sous forme d'agrégats, habituellement de petites particules. Bien que ces particules soient minuscules, elles contiennent souvent entre une centaine et plusieurs milliers d'atomes de métal.
Il n'est pas étonnant que les catalyseurs à un seul atome soient actuellement un sujet brûlant dans la recherche sur la catalyse. Ils représentent le summum de l'efficacité lorsqu'il s'agit d'utiliser des éléments chimiques coûteux et rares. Si les métaux sont utilisés en tant qu'atomes individuels, il est même possible d'utiliser des métaux précieux d'une manière économiquement viable.
Si les atomes peuvent fonctionner de manière isolée, leurs propriétés catalytiques changent souvent. "L'indium est utilisé dans ce catalyseur depuis plus d'une décennie", explique Pérez-Ramírez. "Dans notre étude, nous montrons que des atomes d'indium isolés sur de l'oxyde d'hafnium permettent une synthèse du méthanolà base de CO2 plus efficace que l'indium sous forme de nanoparticules contenant un grand nombre d'atomes.
Des atomes isolés au bon endroit
Afin d'ancrer de manière ciblée des atomes d'indium à la surface de l'oxyde de hafnium, l'équipe interdisciplinaire de l'ETH a développé différentes voies de synthèse en collaboration avec des collègues d'autres institutions de recherche. Un élément clé de ce développement a été la structure spécifique du matériau de support, qui fournit aux atomes un environnement stable et en même temps réactif.
Dans un processus de production testé, les matériaux de départ sont brûlés dans une flamme à une température de 2 000 à 3 000 °C, puis rapidement refroidis. Dans ces conditions, l'indium a tendance à rester à la surface, où il est incorporé de manière stable.
En incorporant les atomes du catalyseur dans un support d'oxyde de hafnium résistant à la chaleur, les chimistes de l'ETH montrent que les catalyseurs à un seul atome peuvent rester stables même dans des conditions extrêmes. Les réactions qui requièrent des températures et des pressions élevées sont donc également à portée de main. Par exemple, la synthèse du méthanol à partir deCO2 et d'hydrogène gazeux nécessite des températures allant jusqu'à 300°C et des pressions jusqu'à 50 fois supérieures à la pression atmosphérique normale.
Interaction entre le métal catalyseur et la matrice
En outre, les nanoparticules existantes utilisées pour l'analyse constituaient une boîte noire. Alors que les processus catalytiques n'ont lieu qu'au niveau du petit nombre d'atomes à la surface, de nombreux signaux de mesure proviennent de l'intérieur des particules, d'atomes qui ne sont même pas impliqués dans la réaction. Cela rendait l'interprétation plus difficile. En revanche, dans les catalyseurs à atomes isolés, les mécanismes de réaction peuvent être analysés avec beaucoup moins de signaux parasites.
Depuis 2010, M. Pérez-Ramírez ne se contente pas de rechercher de meilleurs catalyseurs pour la production de méthanol à partir deCO2 à l'ETH, il travaille également en étroite collaboration avec l'industrie et détient plusieurs brevets dans ce domaine. L'un des facteurs clés du développement de la nouvelle méthode de catalyse à un seul atome a été le vaste réseau qui a vu le jour ces dernières années en Suisse dans le domaine de la recherche sur la catalyse, explique Pérez-Ramírez : "Le développement du catalyseur pour le méthanol et l'analyse détaillée du mécanisme n'auraient pas été possibles sans cette expertise interdisciplinaire."
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
Yung-Tai Chiang, Milica Ritopecki, Patrik O. Willi, Katja Raue, Jordi Morales-Vidal, Tangsheng Zou, Mikhail Agrachev, Henrik Eliasson, Jianyang Wang, Rolf Erni, Wendelin J. Stark, Gunnar Jeschke, Robert N. Grass, Núria López, Sharon Mitchell, Javier Pérez-Ramírez; "Single atoms of indium on hafnia enable superior CO2-based methanol synthesis"; Nature Nanotechnology, 2026-3-2
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