Catalyseurs de métaux de transition, comme le nickel et le cobalt, sont largement utilisés dans l'industrie pour produire de l'hydrogène et d'autres composés utiles à partir du gaz naturel. Les chercheurs réalisent cette transformation par reformage à la vapeur, qui est le processus de chauffage du méthane avec de la vapeur en présence du catalyseur, produisant ainsi de l'hydrogène et du monoxyde de carbone.

Les métaux de transition sont connus pour leurs capacités catalytiques supérieures et les chercheurs savent que les réactions les plus importantes se produisent à la surface des catalyseurs. Jusque là, la recherche de catalyseurs encore meilleurs a été largement basée sur des essais et des erreurs, et en supposant que les réactions catalysées ont lieu sur les bords des marches et d'autres sites de défauts atomiques des cristaux métalliques.

Une équipe de recherche internationale de Suisse, les Pays-Bas, et les États-Unis ont combiné des expériences utilisant des techniques infrarouges avancées avec la théorie quantique pour explorer les réactions de dissociation du méthane dans les moindres détails. Pour la première fois, leurs recherches montrent exactement où se produisent les réactions les plus importantes à la surface du catalyseur. Les chercheurs se sont concentrés sur le platine (Pt) comme catalyseur pour décomposer le méthane, mais le modèle peut être appliqué à d'autres catalyseurs de métaux de transition, comme le nickel. Ils rapportent leurs conclusions cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique , des éditions AIP.

"Une théorie prédictive testée avec une précision chimique pourrait changer la façon dont on recherche de nouveaux catalyseurs et rendre la recherche plus efficace et moins chère, " a déclaré Rainer Beck, co-auteur de l'article et professeur de sciences et d'ingénierie chimiques à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

A l'échelle atomique, la surface d'un catalyseur au platine (ainsi que d'autres cristaux métalliques) peut être constituée de marches, terrasses, et d'autres défauts qui sont considérés comme des "sites" importants dans le processus catalytique.

L'équipe de recherche a utilisé le pompage laser infrarouge pour exciter les molécules de méthane dans des états quantiques rotationnels et vibrationnels sélectionnés. Les chercheurs ont ensuite utilisé la spectroscopie infrarouge réflexion-absorption (RAIRS) pour détecter la dissociation du méthane sur les différents sites du cristal de Pt(211). RAIRS est une technique non intrusive qui permet aux chercheurs de suivre en temps réel les réactions chimiques lors du dépôt de, dans ce cas, méthane sur la surface de Pt en enregistrant les courbes d'absorption spécifiques au site pour les espèces méthyles chimisorbées sur les sites des marches et des terrasses. Sur la base de ces mesures, les chercheurs peuvent alors déterminer les niveaux de réactivité du méthane sur chacun des sites.

Les chercheurs ont également utilisé le modèle hamiltonien du chemin de réaction, un cadre de théorie quantique, pour calculer la surface d'énergie potentielle et explorer la dynamique au cours des réactions chimiques. Leurs résultats ont montré que les réactions de dissociation sont au moins deux ordres de grandeur plus efficaces sur les marches que sur les terrasses. De plus, aucune réaction n'a eu lieu sur un troisième type de site de surface situé entre les marches et la terrasse (appelés "atomes de coin").

"Nous avons démontré qu'il est possible d'utiliser la détection RAIRS pour des mesures spécifiques à l'état et au site de surface de la réactivité du méthane et de comparer l'effet de l'excitation vibrationnelle sur la réactivité sur les marches et les terrasses d'une surface de catalyseur, ", a déclaré Beck. "Ce nouveau domaine d'étude fournit un autre niveau de détail dans la détection des produits de dissociation du méthane."