La fabrication de produits chimiques pour les processus industriels nécessite souvent que les scientifiques utilisent un catalyseur, une substance qui accélère une réaction chimique, réduire la quantité d'énergie nécessaire pour fabriquer différents produits.

Les scientifiques ont longtemps considéré le palladium, un métal précieux étroitement lié au platine, un catalyseur vedette en raison de sa nature hautement active. Cependant, parce que le palladium est si cher, les scientifiques ont cherché des moyens de substituer un autre métal à la majorité du palladium impliqué dans certains catalyseurs.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Californie à Santa Barbara, les scientifiques ont identifié un autre acteur élémentaire qui aide à activer le palladium tout en réduisant la quantité de métal précieux nécessaire pour que les réactions se produisent.

En combinant une plus petite quantité de palladium avec du nickel sur une formation de nanoparticules de fer, une équipe de recherche dirigée par le chimiste argonnais Max Delferro et son collègue Bruce Lipshutz, professeur de chimie à l'Université de Californie-Santa Barbara, conçu un système peu coûteux et efficace qui a réduit les groupes nitro-aryle en amines, un groupe chimique important dans les produits chimiques agricoles et l'industrie pharmaceutique.

"Bien que cette voie de réduction soit bien connue et qu'il y ait eu différentes méthodes pour le faire dans le passé, l'un des plus gros problèmes est que les catalyseurs ne sont pas suffisamment sélectifs, " a déclaré Delferro. " Le palladium est un métal très sélectif, mais nous devons en utiliser une petite quantité pour maintenir à la fois sa haute sélectivité et sa haute activité."

Dans leur effort pour « étirer le palladium aussi loin que possible, " Delferro et Lipshutz ont répandu le palladium sur les nanoparticules de fer de manière à maximiser le nombre de sites actifs où les atomes de palladium pourraient interagir avec les groupes nitro-aryle.

Sans nickel, ces petits amas de palladium auraient tendance à s'agglutiner, perdre de la surface disponible et, en conséquence, sites actifs. Le nickel, cependant, empêche les amas précieux de palladium de se lier les uns aux autres, en les gardant très dispersés.

"Vous pouvez penser à avoir des aimants dans un bac à sable, " dit Delferro. " Quand le bac à sable est vide, si vous secouez le bac à sable, les aimants auront tendance à tous se rapprocher. Mais s'il y a du sable dans le bac à sable, les aimants resteront collés et ne pourront pas se déplacer l'un vers l'autre."

Pour observer réellement l'arrangement, Delferro et son équipe ont utilisé la source de photons avancée d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Dans leur expérience, les chercheurs d'Argonne ont surveillé le catalyseur dans des conditions de réaction réelles et ont observé l'agglutination du palladium dans la version du catalyseur qui ne contenait pas de nickel.

Dans les versions du catalyseur qui contenaient du nickel, ces interactions agglutinantes ne se sont pas produites, et le palladium est resté dispersé.

Les résultats de l'étude découlent d'une collaboration entre Novartis, qui a initié le projet; l'Université de Californie-Santa Barbara, l'institution qui a synthétisé le catalyseur; et Argonne, qui l'a caractérisé à l'APS. Ces résultats sont rapportés dans un article publié le 8 décembre dans Chimie verte , intitulé « Effets synergiques dans les nanoparticules de Fe dopées avec des niveaux de ppm de (Pd + Ni). Un nouveau catalyseur pour la réduction durable du groupe nitro. »