Pour certains catalyseurs cristallins, ce que vous voyez à la surface n'est pas toujours ce que vous obtenez en gros, selon deux études menées par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Les enquêteurs ont découvert que le traitement d'un cristal d'oxyde complexe avec de la chaleur ou des produits chimiques provoquait la ségrégation de différents atomes à la surface, c'est à dire., reconstitution de surfaces. Ces différences ont créé des catalyseurs avec des comportements différents, qui a encouragé différentes voies de réaction et a finalement donné des produits distincts.

En utilisant des traitements thermiques et chimiques, les concepteurs de catalyseurs peuvent être en mesure de conduire des réactions chimiques importantes sur le plan industriel pour améliorer les rendements des produits souhaités et réduire les produits indésirables afin que les coûts de séparation post-réaction puissent être considérablement réduits.

"La surface d'un catalyseur est un terrain de jeu pour que les molécules fassent la réaction chimique, " a déclaré le chimiste de l'ORNL Zili Wu, l'auteur principal de deux articles récents sur l'effet de la composition atomique d'une surface de catalyseur sur la chimie acide-base. "Si vous pouvez régler votre catalyseur pour obtenir le produit souhaité, c'est à dire., atteindre une haute sélectivité, vous réduirez les produits secondaires. Vous n'avez alors plus besoin d'une séparation chimique en aval coûteuse et énergivore."

Les chercheurs ont étudié quatre catalyseurs de pérovskite, un cristal d'oxyde mixte constitué de mailles unitaires cubiques de composition atomique ABO3, avec A comme cation de terre rare (ion chargé positivement), B comme cation de métal de transition et O comme oxygène.

Le traitement d'une pérovskite avec de la chaleur a donné un catalyseur avec plus d'atomes A à sa surface, scientifiques, dont les premiers co-auteurs Guo Shiou Foo et Felipe Polo-Garzon, ont rapporté dans Catalyse ACS . Traiter la même pérovskite avec des produits chimiques a plutôt produit plus d'atomes B à la surface, scientifiques, dont le premier auteur Polo-Garzon, ont par la suite rapporté dans Angewandte Chemie Édition Internationale .

Les scientifiques ont été les premiers à étudier de manière systémique comment différentes compositions de surface de pérovskite affectent la catalyse acide-base. Les connaissances acquises pourraient ouvrir la voie à une conversion sélective de la biomasse en produits chimiques à valeur ajoutée.

Pour tester les performances acido-basiques des catalyseurs pérovskites traités, les chercheurs ont étudié une réaction modèle, la conversion de l'isopropanol—essentiellement, alcool à friction. Selon les conditions de prétraitement, la pérovskite pourrait sélectivement transformer l'alcool en propylène, un bloc de construction en plastique, par une réaction de déshydratation, ou de l'acétone, un solvant industriel, par une réaction de déshydrogénation.

"L'isopropanol s'adapte à la surface de votre catalyseur, " expliqua Wu. " Si vous avez une surface basique (une surface dominée par l'AOx), il fera la réaction catalysée par une base (en acétone). Si vous avez une surface acide (surface dominée par les BOx), il s'adapte à cette voie (au propylène). L'isopropanol est donc une bonne molécule sonde pour vous indiquer la composition de surface du catalyseur."

Les expériences ont montré qu'une large gamme d'accordabilité était possible avec différents traitements. Le même matériau de départ pérovskite, soumis à différents traitements, pourrait donner un produit désiré, comme l'acétone ou le propylène, dans une large gamme, de 25 à 90 pour cent.

Dans les expériences conçues par Wu, Foo et Polo-Garzon ont utilisé la diffraction des rayons X pour caractériser la masse d'un catalyseur et de nombreuses techniques pour caractériser sa surface. Pour savoir si l'élément A ou B prédominait à la surface de la pérovskite si le catalyseur a été soumis à des prétraitements thermiques ou chimiques, Shi-Ze Yang, supervisé par Matthew Chisholm, a fait la microscopie électronique à transmission à balayage de nanoparticules de catalyseur, tandis que Foo a utilisé la microcalorimétrie d'adsorption et la spectroscopie infrarouge. Diffusion d'ions à basse énergie, joué à l'Université Lehigh, a projeté un ion sur une nanoparticule, et l'énergie perdue lorsque l'ion a rebondi a révélé des détails de composition de la couche de surface très supérieure, qui est critique pour la catalyse. Les leçons apprises sur la composition de la surface de toutes ces expériences ont aidé Victor Fung et De-en Jiang dans les calculs théoriques pour prédire les voies de réaction. Polo-Garzon et Elizabeth Bickel, un étudiant d'été de la Tennessee Technology University, ont effectué des mesures qui ont confirmé l'impact de la ségrégation de surface sur les propriétés catalytiques acido-basiques du matériau pérovskite.

Et après? Les chercheurs aimeraient explorer davantage les processus de reconstruction des surfaces de catalyseur de pérovskite avec différentes facettes de terminaison. "La géométrie et la composition du cation et de l'anion [ion chargé négativement] sont agencées différemment lorsque vous avez des facettes différentes, " expliqua Wu. " Cela peut vous donner une réactivité chimique assez différente. " De plus, les chercheurs étendent actuellement leurs travaux pour régler les terminaisons de surface des pérovskites afin de comprendre et d'optimiser les réactions d'oxydation et de réduction au-delà des réactions acido-basiques, qui pourraient être utilisés dans la conversion du gaz de schiste (principalement du méthane) en produits chimiques de valeur.

Le titre du Angewandte Chemie Édition Internationale document est "Contrôler la sélectivité de la réaction par la terminaison de surface des catalyseurs pérovskites."

Le titre du Catalyse ACS L'article est "Réactivité acide-base des catalyseurs pérovskites sondés via la conversion du 2-propanol sur les titanates et les zirconates".