De nouvelles directives établies par les chercheurs du Nebraska et de la Chine pourraient orienter la conception de solutions moins coûteuses, des catalyseurs plus efficaces destinés à augmenter la production d'hydrogène en tant que carburant renouvelable.

Xiao Cheng Zeng du Nebraska et ses collègues ont identifié plusieurs facteurs négligés essentiels à la performance des catalyseurs à un seul atome :atomes individuels, généralement métalliques et ancrés par les charpentes moléculaires environnantes, qui déclenchent et accélèrent les réactions chimiques.

L'équipe a intégré ces variables dans une équation simple nécessitant ce que Zeng a décrit comme des "calculs au fond de l'enveloppe". Cette équation devrait permettre aux chercheurs de prédire facilement comment le choix de l'atome et de son matériau environnant affectera les performances catalytiques. À ce jour, les chercheurs se sont souvent appuyés sur des essais et des erreurs fastidieux pour trouver des catalyseurs à un seul atome prometteurs.

"Toutes ces informations (pertinentes) peuvent être facilement recueillies à partir d'un manuel, " dit Zeng, Chancelier de l'Université Professeur de chimie. « Avant même une expérience, vous pouvez voir rapidement si c'est un bon moyen de faire le catalyseur. Nous simplifions le processus."

En utilisant son équation, l'équipe a découvert plusieurs combinaisons atome-cadre qui se rapprochent de la performance des catalyseurs de métaux précieux-platine, or, iridium-à de simples millièmes du coût. L'un a troqué un atome de platine contre du manganèse; un autre a remplacé l'iridium par du cobalt.

"Il y a deux (principales) façons de réduire le prix de ces catalyseurs, " a déclaré Zeng. " L'une consiste à utiliser le moins de métaux possible, les catalyseurs à un seul atome sont donc les moins chers. L'autre direction est de trouver des métaux alternatifs comme le fer, l'aluminium ou le zinc qui sont très bon marché."

Deux des combinaisons atome-cadre de l'équipe peuvent diviser l'eau en ses éléments constitutifs :un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène, ce dernier pouvant servir de carburant vert pour les véhicules et d'autres applications. Deux autres catalyseurs candidats aident les atomes d'oxygène à absorber plus d'électrons, les amorçant à se lier à des atomes d'hydrogène chargés positivement et à former de l'eau, le sous-produit souhaité des piles à combustible à hydrogène.

"À l'heure actuelle, ce n'est pas la façon dominante de produire de l'hydrogène, " Zeng a déclaré. "L'industrie utilise encore des combustibles fossiles pour produire de l'hydrogène. C'est juste moins cher. Voilà donc notre motivation :baisser le coût pour que tous ces produits plus propres, les réactions productrices de carburant deviennent (viables)."

Rapport de scoutisme

Les chercheurs ont découvert que le nombre et la nature des atomes directement liés à un catalyseur à un seul atome peuvent profondément affecter la façon dont il catalyse les réactions chimiques. Dans certains cas, l'atome catalyseur peut être attaché à trois ou quatre autres atomes, dont chacun fait lui-même partie d'un cycle à cinq ou six atomes. Chaque atome de ce réseau immédiat a également une attraction connue pour les électrons, la force de cette attraction influençant davantage les performances catalytiques.

L'arrangement et les qualités de ces atomes voisins comptent, Zeng a dit, de la même manière qu'une ligne offensive compte pour un stationnaire, quart-arrière passe-poche. Et la nouvelle équation de l'équipe pourrait servir de rapport de dépistage pour les chercheurs cherchant à amplifier les forces ou à couvrir les faiblesses de leur personnel, il a dit.

Pour Zeng et ses collègues, ce personnel se composait de plus de 20 métaux dits de transition qui sont généralement pires que les métaux précieux pour catalyser les réactions. Mais l'équipe a montré qu'entourant un cobalt, fer ou autre atome de deuxième chaîne avec le bon environnement - parfois un nid d'abeilles d'atomes de carbone connu sous le nom de graphène, parfois un réseau d'atomes d'azote—peut augmenter ses performances.

"Chaque ligne offensive est différente, " a déclaré Zeng. " Comment faites-vous pour que le quart-arrière fonctionne le mieux dans cette poche? Comment trouver le meilleur quarterback dans différentes poches ?

"Si vous avez un quart-arrière deux étoiles, vous avez besoin d'une meilleure ligne offensive. Mais même un quart-arrière de sauvegarde peut bien performer avec la bonne ligne."

Zeng est l'auteur de l'étude avec des collègues de l'Université de technologie chimique de Pékin. L'étude est parue dans la revue Catalyse naturelle et a été mis en évidence dans Nouvelles de la chimie et de l'ingénierie , un magazine publié par l'American Chemical Society.