Chimie durable : le fer remplace les métaux précieux dans la catalyse

Les catalyseurs permettent d'accélérer les réactions chimiques ou de les rendre possibles. Dans les procédés établis, cette tâche est assurée par des métaux précieux comme le rhodium, l'iridium ou le palladium. Ils conviennent bien à de nombreuses applications, mais sont chers et rares. "Notre recherche se concentre sur des alternatives durables et écologiques aux catalyseurs à base de métaux précieux", explique le Dr Oliver Townrow de l'Institut de nanotechnologie du KIT. "Le fer est le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre et peut assumer des fonctions similaires à celles des métaux précieux dans certaines réactions catalytiques".

Stabiliser le fer réactif

Le travail se concentre sur une source de fer (I) modulaire et préactivée pour la catalyse. Le chiffre romain décrit ici l'état électronique du métal. Dans les composés chimiques, le fer est généralement présent sous forme de fer (II) ou de fer (III). Cependant, le fer ferreux est particulièrement adapté à certaines réactions catalytiques, car il peut plus facilement accepter ou céder des électrons. Il permet ainsi d'autres voies de réaction.

Jusqu'à présent, il manquait un composé de départ d'une stabilité comparable qui rendrait le fer ferreux directement disponible pour des applications catalytiques. C'est pourquoi les chercheurs devaient souvent produire cette forme de fer pendant la réaction à l'aide de substances supplémentaires. De tels agents réducteurs amènent le fer à la forme réactive souhaitée, mais peuvent également modifier d'autres composants. "Il est donc difficile de contrôler exactement quel composé de fer est produit dans la réaction et comment il continue à réagir", explique Luise Kink, premier auteur de l'étude et étudiante en chimie au KIT. "Grâce à notre approche, nous pouvons désormais utiliser cette forme de fer réactive de manière plus fiable".

Produire et tester de nouveaux composés de fer

Dans ses expériences, l'équipe a d'abord produit du fer(I) en dehors de la catalyse proprement dite, en tant que composé propre : le fer était alors assis entre deux hydrocarbures cycliques, appelés molécules de Duren, qui stabilisent le métal réactif. Ainsi, le fer ferreux sensible reste suffisamment stable par rapport à l'oxygène de l'air et à l'humidité pour être utilisé dans d'autres réactions.

Les chercheurs ont ensuite remplacé le durène de manière ciblée par d'autres molécules et ont ainsi produit différents composés de fer (I). Ils les ont analysés entre autres à l'aide de l'analyse structurelle des rayons X, de procédés spectroscopiques et de mesures magnétiques. Lors d'un premier test catalytique, ils ont en outre montré que le nouveau composé pouvait donner naissance à un catalyseur de fer actif.

Développer les catalyseurs à base de fer

Le nouveau composé de fer (I) crée une base pour d'autres applications. Les chercheurs peuvent désormais vérifier plus systématiquement quelles variantes conviennent à certaines réactions catalytiques. "Notre résultat montre que nous pouvons mieux préparer le fer(I) pour la catalyse et l'utiliser de manière plus contrôlée qu'auparavant", explique Townrow. "A long terme, notre approche devrait contribuer à remplacer les métaux précieux par du fer dans les applications industrielles".