Et s'il n'y avait pas de tunnels dans les Alpes suisses ? Toute personne essayant de les traverser devrait monter et descendre des collines et zigzaguer autour des chaînes. On économise beaucoup plus d'énergie et de temps en passant dans un tunnel qu'en escaladant une montagne. Ceci est similaire au fonctionnement des catalyseurs :ils accélèrent les réactions chimiques en diminuant l'énergie nécessaire pour atteindre l'état physique souhaité.

Dans les procédés de fabrication industrielle, catalyse hétérogène, qui implique typiquement l'utilisation de catalyseurs solides placés dans un mélange réactionnel liquide ou gazeux, a de nombreuses applications potentielles. Être dans une phase différente, les catalyseurs hétérogènes peuvent être facilement séparés d'un mélange réactionnel. De cette façon, les catalyseurs peuvent être récupérés et recyclés efficacement, étant assez écologique. En outre, ils présentent une activité très stable même dans des conditions de réaction difficiles. Malgré de tels avantages, On pense que la catalyse hétérogène permet moins d'interaction et de contrôlabilité que la catalyse homogène en raison d'une mauvaise compréhension de son processus de réaction.

Des chercheurs du Centre de recherche sur les nanoparticules (dirigé par le directeur Taeghwan Hyeon) au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) en collaboration avec le professeur Ki Tae Nam de l'Université nationale de Séoul et le professeur Hyungjun Kim du KAIST ont démontré pour la première fois une catalyse hétérogène de type enzyme. . Ils ont développé un TiO hétérogène très actif 2 photocatalyseur incorporé avec de nombreux atomes de cuivre simples. Ils ont utilisé ce catalyseur pour la production d'hydrogène photocatalytique, et trouvé que le catalyseur est aussi actif que le Pt-TiO le plus actif et le plus cher 2 catalyseur.

Les chercheurs se sont engagés à modéliser la structure du catalyseur d'une manière similaire aux catalyseurs les plus efficaces et réactifs que sont les enzymes biologiques. Les enzymes comprennent des atomes métalliques catalytiquement actifs et des protéines environnantes qui travaillent très étroitement pour maintenir leurs rétroactions en va-et-vient. Grâce à cette communication interne coopérative, les enzymes peuvent rapidement adapter leur structure pour s'adapter de manière optimale aux réactions souhaitées (généralement connu sous le nom de modèle d'ajustement induit). Lors de l'adaptation, les enzymes reprennent par intermittence leur forme d'origine et se reforment. Le professeur Hyeon dit, "Pour la première fois, nous avons constaté qu'un processus d'activation réversible et coopérative semblable à une enzyme se produit même dans des catalyseurs hétérogènes. Il s'agit d'une plate-forme sans précédent qui combine les avantages des catalyseurs hétérogènes et des enzymes biologiques. Tout en présentant la stabilité robuste des catalyseurs hétérogènes, les caractéristiques coopératives et réversibles des enzymes ajoutent une contrôlabilité significative, ce qui en fin de compte apporte une activité élevée pour la production d'hydrogène (le carburant le plus efficace et le plus idéal) à partir de réactions photocatalytiques de division de l'eau."

Les enzymes biologiques ont été considérées comme un modèle central pour le développement de catalyseurs artificiels. Ils ont été utilisés avec succès dans la conception de catalyseurs homogènes pour diverses réactions. Toujours, il n'y avait eu aucun rapport sur les catalyseurs hétérogènes d'importance industrielle avec ces caractéristiques de type enzymatique en raison du manque de compréhension au niveau atomique des catalyseurs hétérogènes. Cette nouvelle étude démontre que les catalyseurs hétérogènes peuvent fonctionner comme des enzymes, confirmant le principe fondamental selon lequel l'interaction coopérative entre les catalyseurs atomiques et les environnements adjacents a une influence significative sur les propriétés globales des matériaux et l'activité catalytique.

Combinant simulations théoriques et technologies de synthèse de nanomatériaux, les chercheurs ont synthétisé un catalyseur hétérogène de type enzyme. (Fig. 2) Ils ont recouvert un TiO de forme ronde 2 substrat avec du cuivre à un seul atome. Ils ont enveloppé TiO 2 et des atomes de cuivre ensemble. Une cuisson ultérieure a réussi à stabiliser les atomes simples de cuivre exclusivement sur des sites de titane. Il était crucial pour cette étude de concevoir des catalyseurs à un seul atome spécifiques au site, puisque cette structure à un seul atome imite directement la structure des enzymes (constituées d'ions métalliques à un seul atome et de protéines environnantes).

De façon intéressante, l'atome unique Cu/TiO synthétisé spécifique au site 2 les catalyseurs ont subi un processus de photoactivation unique. En absorbant la lumière, TiO 2 excite un électron. L'électron excité est transféré à un seul atome de cuivre par un simple changement d'état d'oxydation. Le transfert d'un électron change à son tour le TiO environnant 2 structures (tout comme le modèle d'ajustement induit d'une enzyme). Cet état actif retourne ensuite à l'état de repos initial lorsqu'un électron est transféré vers le TiO. 2 à partir d'un atome de métal. En réalité, ce mécanisme interactif et réversible a été confirmé avec le Cu/TiO blanc 2 virant rapidement au noir sous irradiation lumineuse, et revient à sa couleur blanche initiale lorsqu'il est purgé à l'air. Grâce à ces caractéristiques enzymatiques, Cu/TiO à un seul atome 2 le catalyseur a transformé 40 % de l'énergie lumineuse en H 2 , une activité catalytique exceptionnellement élevée, qui est aussi actif que le Pt-TiO le plus actif et le plus cher 2 photocatalyseur. L'hydrogène est connu pour être le carburant le plus efficace et le plus idéal car il génère de l'eau comme seul sous-produit.