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    Les scientifiques découvrent que l'hydratation est la clé pour améliorer les performances des catalyseurs à usage industriel

    (à gauche) Les neutrons ont révélé quel site acide de Brønsted dans MOF-808-SO4 est principalement responsable de la capacité du MOF à convertir efficacement des substances de base comme le pétrole en d'autres produits chimiques. (à droite) Ils ont également révélé les liaisons hydrogène qui se forment lorsque le MOF est bien hydraté et qui sont fortement corrélées aux excellentes performances catalytiques du MOF. (zirconium-bleu, rouge oxygène, carbone–gris clair, jaune de soufre). Crédit :Chris Trickett, UC Berkeley et Jill Hemman, ORNL

    Les scientifiques ont utilisé la diffusion de neutrons pour identifier le secret de la capacité d'un cadre métal-organique (MOF) à convertir efficacement les produits chimiques, par un processus appelé catalyse, en de nouvelles substances. En sondant un matériau appelé MOF-808-SO4, l'équipe a découvert un comportement moléculaire qui rend le catalyseur moins acide, ce qui pourrait ralentir le processus catalytique indispensable à la fabrication de produits tels que les plastiques, parfums, produits de beauté, retardateurs de flamme et solvants.

    Leurs découvertes, détaillé dans Nature Chemistry, devraient contribuer à stimuler le développement de nouveaux catalyseurs MOF que l'industrie peut utiliser pour améliorer le processus de transformation de substances telles que le pétrole en produits chimiques C8, des produits chimiques contenant huit atomes de carbone.

    Pour étudier le comportement moléculaire du MOF, des scientifiques de l'Université de Californie à Berkeley, Stanford, le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie et le laboratoire national Oak Ridge du DOE ont mené des expériences sur l'instrument POWGEN à la source de neutrons de spallation située à ORNL. Ils ont découvert ce qui fait du MOF-808-SO4 un catalyseur efficace et pourquoi, sous certaines conditions, il perd de son efficacité avec le temps.

    "Nous avons développé un nouveau MOF qui est un très bon catalyseur pour la production de produits chimiques C8, mais nous n'avions pas identifié le site actif dans le matériau qui était responsable de ses excellentes performances catalytiques, " a déclaré Omar Yaghi de l'UC Berkeley.

    Les MOF tels que le MOF-808-SO4 ont un potentiel élevé pour les futures applications de catalyse en raison de leur surface extrêmement élevée et de leur polyvalence dans les motifs chimiques. Ils ne sont pas encore largement utilisés dans la production chimique car ils sont actuellement plus chers à produire que les zéolithes plus largement utilisées, qui sont des matériaux à structures poreuses à base de silice (l'un des principaux ingrédients du sable).

    "Nous avons découvert qu'un site acide de Brønsted, dans une configuration bien particulière, est principalement responsable de l'activité catalytique du MOF, et que le MOF devient moins efficace avec le temps lorsque le processus catalytique provoque l'épuisement de l'eau dans ce site, " dit Yaghi.

    Les acides de Brønsted sont des composés chimiques qui "veulent" donner des ions hydrogène chargés positivement à d'autres structures moléculaires de base qui veulent saisir les protons. Cela se produit parce qu'ils ont des électrons supplémentaires, leur donnant une charge négative qui attire fortement les protons.

    L'acide de Brønsted le plus fort dans MOF-808-SO4 consiste en un arrangement spécifique d'eau et de sulfate adsorbés sur des amas d'oxyde de zirconium. Lorsqu'une molécule d'eau s'adsorbe sur un atome de zirconium, il participe à une liaison hydrogène. Ce motif, à son tour, se traduit par la présence d'un proton fortement acide. En cas de déshydratation, la matière perd son acidité.

    Comprendre comment et où l'eau se lie au MOF est crucial car lorsque le MOF est bien hydraté, il présente d'excellentes performances catalytiques.

    Les neutrons sont particulièrement sensibles aux éléments plus légers comme l'hydrogène et l'oxygène, ce qui les rend parfaitement adaptés pour localiser l'eau et les sites acides. Les scientifiques ont tiré parti de ces propriétés en utilisant la diffraction de poudre de neutrons sur POWGEN.

    "Nous avons essayé de compléter le projet de recherche avec la diffraction des rayons X, mais nous n'avons pas pu localiser de manière concluante l'hydrogène et l'eau dans la structure, en partie parce que nous ne pouvions pas faire pousser un seul cristal de MOF suffisamment grand, " a déclaré Chris Trickett de l'UC Berkeley. " Les caractéristiques uniques des neutrons et l'expertise de modélisation de l'ORNL ont attiré notre attention, car il a permis d'étudier le MOF sous forme de poudre et dans un environnement inerte pour obtenir les données structurelles manquantes dont nous avions besoin."

    La diffraction des neutrons sur poudre est idéale pour étudier les matériaux que les scientifiques ne peuvent pas synthétiser sous la forme d'un monocristal suffisamment grand et stable suffisamment longtemps pour être étudié. Une fois l'expérience terminée, les données de diffraction des neutrons sur poudre ont été traitées puis entrées dans un modèle créé par l'équipe de recherche qui leur a permis d'interpréter les informations.

    "J'ai travaillé en étroite collaboration avec Chris de la préparation des échantillons pour les mesures de diffraction des poudres à l'analyse des données de l'étude neutronique, " a déclaré Ashfia Huq de l'ORNL, un scientifique des instruments pour POWGEN. « Grâce à la technologie moderne, nous pouvions Skype les uns avec les autres pour travailler sur les détails de la modélisation des données qui étaient essentielles pour déchiffrer la structure de ce composé. »

    Des scientifiques du monde entier tentent de comprendre les secrets du fonctionnement de ces matériaux à l'échelle atomique afin de pouvoir concevoir des MOF plus efficaces et moins coûteux. Après près de deux décennies de recherches intensives, Les MOF trouvent enfin une utilisation dans des marchés de niche comme le stockage et la libération de nouveaux gaz, mais le but est de percer leurs mystères et de trouver une utilisation commerciale généralisée.

    L'équipe de recherche espère continuer à étudier ce MOF et tester sa théorie selon laquelle il peut être facilement rechargé en introduisant de la vapeur d'eau pendant le processus catalytique.

    "Si nous pouvons démontrer un moyen simple et peu coûteux de recharger ce matériel, cela en fera une alternative très intéressante aux catalyseurs peu coûteux mais inefficaces que l'industrie chimique utilise aujourd'hui, " a déclaré Trickett. "Notre travail pourrait identifier de nouvelles façons de produire ce MOF à moindre coût ou d'augmenter encore son efficacité."


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