A la fin des années 1700, une chimiste écossaise du nom d'Elizabeth Fulhame a découvert que certaines réactions chimiques ne se produisaient qu'en présence d'eau et que, à la fin de ces réactions, la quantité d'eau n'était pas épuisée. Fulhame a été le premier scientifique à démontrer la puissance d'un catalyseur, un matériau qui peut accélérer une réaction chimique sans être consommé par celui-ci.

Deux cents ans plus tard, catalyseurs l'un des moteurs de la vie moderne. L'industrie chimique s'appuie sur des catalyseurs pour 90 % de ses processus, depuis le raffinage du pétrole, transformer le pétrole en plastique, et produire des engrais, des aliments et des médicaments, à nettoyer l'air des polluants nocifs émis par les voitures et les usines.

Concevoir des systèmes catalytiques pour un si large éventail d'applications est un grand défi. Les catalyseurs doivent être intégrés dans des systèmes couvrant une large gamme de tailles, formes, et compositions de matériaux, et contrôler une variété de réactions chimiques dans des conditions très différentes. En outre, la plupart des catalyseurs spécialisés reposent sur des métaux rares et coûteux tels que le platine, palladium, et du rhodium supporté sur des matrices métalliques ou d'oxydes métalliques de grande surface.

Maintenant, une équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et du Harvard Wyss Institute for Biologically-Inspired Engineering a développé et testé une nouvelle approche pour optimiser la conception de systèmes catalytiques accordables.

La recherche, dirigé par Joanna Aizenberg, le professeur Amy Smith Berylson de science des matériaux et professeur de chimie et de biologie chimique, est décrit dans une série d'articles publiés dans Matériaux avancés , Matériaux fonctionnels avancés , et Chimie-Un Journal Européen . Aizenberg est également membre principal du corps professoral du Wyss Institute.

L'un des plus grands défis dans le développement de catalyseurs efficaces est de concevoir les solides poreux nanostructurés sur et dans lesquels les réactions ont lieu. Pendant longtemps, Les recherches d'Aizenberg se sont concentrées sur l'étude de matériaux naturels complexes micro et nanostructurés, tels que ceux des opales irisées ou des ailes de papillon, et sur la manière dont la biologie contrôle la chimie et la morphologie de ses éléments constitutifs à l'échelle nanométrique. Inspiré des processus naturels, l'équipe de chercheurs de SEAS et Wyss a développé une méthodologie pour créer des très commandé, micromatériaux de type opale pour une large gamme de réactions catalytiques et photocatalytiques.

Pour créer ces structures, les chercheurs ont introduit une méthode de co-assemblage dans laquelle de minuscules, des particules sphériques et des précurseurs de matrice sont déposés simultanément à partir d'un même mélange pour produire des films sans défaut sur des échelles centimétriques. Les chercheurs ont démontré ce processus avec des matériaux catalytiques largement utilisés, y compris l'oxyde de titane, alumine et zircone, incorporant diverses nanoparticules mono et multimétalliques.

"L'extension de cette méthodologie aux matériaux cristallins non biologiques aboutira à des architectures à micro-échelle avec une photonique améliorée, électronique, et propriétés catalytiques, " a déclaré Tanya Shirman, boursier postdoctoral au SEAS et boursier en développement technologique au Wyss Institute et co-auteur de la recherche.

Dans la conception des particules catalytiques elles-mêmes, les chercheurs se sont également tournés vers la nature, utilisant des biocatalyseurs, comme les enzymes, pour l'inspiration. Dans les systèmes biologiques, les matériaux catalytiques à l'échelle nanométrique se fixent à des entités plus grandes telles que des protéines et des cellules, qui s'auto-organisent pour former de plus grands réseaux de sites catalytiques conçus avec précision.

"La nature a eu des milliards d'années de R&D pour perfectionner la conception de systèmes catalytiques, " a déclaré Tanya Shirman. " En conséquence, ils sont incroyablement efficaces et permettent la coordination et le réglage fin de réactions sophistiquées grâce à un positionnement optimal des complexes catalytiques."

Les chercheurs ont imité l'architecture hiérarchique des catalyseurs naturels en développant une plate-forme hautement modulaire qui construit des catalyseurs complexes à partir de colloïdes organiques et de nanoparticules catalytiques inorganiques. L'équipe peut tout contrôler de la composition, Taille, et placement des nanoparticules catalytiques à la taille du colloïde, forme, et la connectivité, et la forme générale et les modèles du réseau. Les systèmes catalytiques résultants utilisent des quantités significativement plus faibles de métaux précieux que les catalyseurs existants.

"Le métal précieux est une ressource très limitée, " dit Elijah Shirman, boursier postdoctoral au SEAS et au Wyss Institute et co-auteur de la recherche. « En optimisant la conception et en minimisant la quantité de métaux précieux utilisés dans les systèmes catalytiques, nous pouvons créer des catalyseurs plus durables en général et utiliser des matériaux catalytiques d'une manière qui n'est actuellement pas abordable."

La méthode est relativement simple :tout d'abord, les nanoparticules catalytiques se fixent aux colloïdes par divers types de liaisons chimiques et physiques. Enrobé de nanoparticules, les colloïdes sont ensuite placés dans une solution de précurseur de matrice et autorisés à s'auto-assembler selon le motif souhaité, qui peut être contrôlé en confinant l'assemblage dans une certaine forme. Dernièrement, les colloïdes sont éliminés pour former un réseau structuré décoré de nanoparticules partiellement noyées à l'intérieur de la matrice. Cette architecture poreuse hiérarchique avec des sites catalytiques fermement attachés maximise la surface spécifique pour la réaction catalytique et améliore la robustesse du catalyseur.

"Notre plate-forme synthétique permet de prendre les composants de l'assemblage et de former un ensemble entièrement interconnecté, microarchitecture poreuse très ordonnée, dans laquelle sont incorporées de manière unique des nanoparticules catalytiques, " a déclaré Tanya Shirman. " Cela offre une mécanique exceptionnelle, thermique, et la stabilité chimique ainsi qu'une surface spécifique élevée et une accessibilité totale aux réactifs diffusants."

"La technologie développée dans mon laboratoire est particulièrement prometteuse pour combler le fossé entre la R&D de pointe et les applications du monde réel, " a déclaré Joanna Aizenberg. " En raison de sa conception modulaire et accordable, ce cadre peut être utilisé dans divers domaines de la synthèse de produits chimiques importants, à la réduction de la pollution. Nos résultats montrent clairement que nous sommes maintenant capables de créer de meilleurs catalyseurs, utilisent moins de métaux précieux et améliorent les procédés catalytiques connus."

Cette technologie est maintenant validée et développée pour être commercialisée par le Wyss Institute.

L'équipe d'Aizenberg se concentre actuellement sur le développement de catalyseurs de nouvelle génération pour un certain nombre d'applications - des technologies de l'air pur et des convertisseurs catalytiques aux électrodes avancées pour les piles à combustible catalytiques - dans l'espoir de tester bientôt leurs conceptions dans des systèmes du monde réel.

L'équipe a récemment reçu la deuxième place du President's Innovation Challenge de Harvard, qui identifie et promeut les entreprises technologiques prometteuses qui ont le potentiel d'avoir des impacts sociétaux et environnementaux importants.