Les catalyseurs sont des agents qui initient des réactions chimiques, les accélérer ou augmenter significativement le rendement du produit souhaité. Les catalyseurs nouveaux et améliorés sont donc considérés comme la clé pour créer des processus de production plus durables et plus efficaces dans l'industrie chimique. Dans un projet de recherche commun, cinq professeurs de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) et leurs équipes ont récemment découvert comment contourner les inconvénients connus des catalyseurs techniques actuellement utilisés grâce à un nouveau concept de matériau qui rend la création de catalyseurs possibles.
Cette nouvelle génération de catalyseurs utilise des gouttes liquides d'alliage métallique fixées sur des supports poreux qui sont mis en contact avec les réactifs gazeux. Les gouttes d'alliage microscopiquement petites sont fluides car elles contiennent une forte proportion de gallium, un élément avec un point de fusion très bas. À la fois, cette concentration élevée de gallium garantit que les atomes des composants métalliques secondaires dissous sont parfaitement dispersés :les atomes métalliques individuels en solution dans le gallium sont responsables de l'effet catalytique. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la principale revue spécialisée Chimie de la nature .
Catalyseurs liquides pris en charge
Durant la dernière décennie, les chercheurs de la FAU ont pu démontrer à plusieurs reprises leur prééminence internationale dans le domaine des innovations en matière de matériaux catalytiques. Les matériaux catalytiques sont par conséquent un domaine de recherche clé au sein du pôle d'excellence Ingénierie des matériaux avancés (EAM) de la FAU. Les catalyseurs liquides supportés ont souvent été le point focal d'intérêt pour les chercheurs basés à FAU. Ceux-ci combinent les avantages des accélérateurs de réaction moléculaire personnalisés avec l'avantage qu'ils peuvent être plus facilement séparés du produit. Dans le concept exposé dans l'article publié dans Chimie de la nature , l'utilisation d'alliages métalliques dans des catalyseurs liquides supportés est décrite pour la première fois. En outre, c'est aussi la première fois qu'une activité catalytique est attribuée à des alliages de métaux liquides.
De plus, les combinaisons de matériaux initialement testées se sont avérées nettement plus performantes que les catalyseurs techniques standard qui ont mis des années à se développer. « Il est particulièrement intéressant qu'il y ait peu ou pas de désactivation des complexes métalliques supportés lorsque des dépôts de carbone se forment sur eux, " dit le professeur Peter Wasserscheid. "Ce sont de tels gisements qui sont la principale cause de la désactivation des catalyseurs utilisés pour la conversion catalytique à haute température par l'industrie pétrochimique." Les chercheurs ont pu démontrer cet effet important dans le cas de la déshydratation du butane. La nature structurale particulière de cette nouvelle classe de matériaux a été découverte par quatre groupes travaillant en collaboration :l'analyse microscopique a été entreprise par l'équipe de Wolfgang Peuker, les équipes de Hans-Peter Steinrück et Christian Papp ont complété l'analyse spectrographique, L'équipe de Rainer Hock était responsable de l'analyse radiographique tandis que les calculs correspondants ont été entrepris par Andreas Görling et ses collègues.
Gallium :le secret du succès
L'élément gallium joue un rôle central dans cette nouvelle classe de matériaux. Le gallium fond à environ 30°C et a un point d'ébullition de 2400°C. Il possède la capacité unique de dissoudre presque tous les autres métaux. Lorsqu'il est exposé à l'air, des couches ultra-minces d'oxyde se forment à la surface du gallium; cependant, ceux-ci sont reconvertis en l'élément d'origine dans les conditions obtenues au cours de nombreux processus catalytiques. À ce jour, les chercheurs de la FAU ont obtenu leurs résultats spectaculaires en utilisant du palladium dissous dans du gallium. Ils ont ensuite l'intention de poursuivre leurs recherches pour savoir si ces effets extraordinaires peuvent également être obtenus en utilisant des métaux non précieux dissous dans le gallium et également si les effets peuvent être reproduits en relation avec d'autres réactions chimiques. «Nos calculs nous amènent à supposer que des atomes de métal isolés dissous dans le gallium peuvent présenter des caractéristiques réactives totalement différentes de celles que le même métal sous forme cristalline présentera habituellement, " explique Andreas Görling. «C'est pourquoi nous sommes si fascinés par cette nouvelle classe de matériaux catalytiques. Nous sommes convaincus qu'avec l'aide de complexes d'alliages supportés, des catalyseurs très performants et très économiques peuvent être développés qui ont un potentiel considérable en ce qui concerne les applications industrielles, " ajoute Hans-Peter Steinrück.
