Les principaux composants du pétrole et du gaz naturel sont les hydrocarbures et leurs mélanges, indispensables en tant que ressources soutenant les infrastructures modernes en tant que matières premières pour l'industrie pétrochimique. Une technique classiquement utilisée pour créer des produits chimiques bénéfiques à partir d'hydrocarbures consiste à utiliser une grande quantité de peroxydes métalliques dans des solvants organiques dangereux pour oxyder les composés d'hydrocarbures.
Pour utiliser efficacement les ressources et réduire l'impact environnemental, l'oxydation catalytique propre sans solvants utilisant l'oxygène de l'air a été un sujet de recherche populaire ces dernières années. Les recherches de nanoparticules de métaux nobles supportées sur des matériaux carbonés poreux ou des oxydes métalliques sont particulièrement répandues, et ils sont considérés comme des catalyseurs prometteurs. Les éléments vitaux déterminant la réactivité de ces catalyseurs hétérogènes sont la forme, Taille, et la composition métallique des nanoparticules métalliques. Les particules inférieures à 2 nm sont importantes pour les nouveaux catalyseurs hautes performances, étant donné que la réduction du diamètre de la particule de catalyseur non seulement augmente le rapport de surface mais modifie considérablement l'état des électrons à la surface des métaux, à son tour modifiant grandement la réactivité. Cependant, trouver une méthode de synthèse de ces petites nanoparticules métalliques tout en contrôlant à la fois le diamètre et la composition est un défi.
Aperçu
Le groupe de recherche dirigé par Kimihisa Yamamoto de l'institut de technologie de Tokyo a développé une méthode de synthèse de nanoparticules d'alliage microscopiques à l'aide de dendrimères moléculaires ramifiés développé dans le projet Yamamoto Atom Hybrid sur le programme ERATO. Les molécules appelées dendrimères ont une structure ramifiée régulière avec un seul poids moléculaire défini, bien qu'ils soient classés comme macromolécules. Le groupe de recherche a mis en place de nombreux sites de coordination pour former des ions et des complexes métalliques. En utilisant un dendrimère avec de tels sites de coordination comme modèle pour la nanoparticule, le groupe a pu synthétiser une nanoparticule avec un nombre contrôlé d'atomes.
Plus loin, ils ont évalué l'activité de cette nanoparticule d'alliage en tant que catalyseur d'oxydation des hydrocarbures sous des pressions ordinaires lors de l'utilisation de l'oxygène de l'air comme agent oxydant. Ils ont constaté que son activité était 24 fois supérieure à celle des catalyseurs disponibles dans le commerce pour l'oxydation des composés organiques. Ils ont également découvert qu'en ajoutant une quantité catalytique d'hydroperoxyde organique, ce catalyseur favorise l'oxydation des hydrocarbures en aldéhydes et cétones aux températures et pressions ordinaires. Plus loin, en comparant les changements d'activité dus aux catalyseurs d'alliage de différentes compositions métalliques et en examinant la composition et d'autres caractéristiques des intermédiaires, les cétones et les hydroperoxydes organiques, le groupe a pu observer le processus de promotion de la réaction dû à l'alliage du catalyseur.
Développement futur
Les connaissances acquises grâce à cette recherche pourraient contribuer à l'élaboration de lignes directrices pour la conception de nouveaux catalyseurs à hautes performances. La méthode de synthèse de nanoparticules d'alliage développée dans cette recherche peut être utilisée de manière générale et appliquée à d'autres métaux. Pour cette raison, cela pourrait être la technologie révélant la réactivité d'autres nanoparticules d'alliage microscopiques. Une étude plus approfondie est nécessaire sur l'augmentation de l'activité catalytique à l'interface du cuivre et d'autres métaux nobles dans les transformations oxydantes d'autres composés organiques, pas seulement l'oxydation des hydrocarbures. Des applications sont attendues pour les matériaux hautes performances de nouvelle génération dans des domaines aussi divers que l'optique, électronique, et de l'énergie.
