Chaque molécule de dendrimère héberge une particule métallique de taille subnano qui permet l'oxydation des hydrocarbures aromatiques, comme le toluène (à gauche), produire des composés organiques utiles, comme l'acide benzoïque (à droite). Les molécules d'oxygène sont représentées en rouge. Crédit: Angewandte Chemie
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont produit des particules métalliques de taille subnano qui sont jusqu'à 50 fois plus efficaces que les nanocatalyseurs bimétalliques Au-Pd bien connus.
L'oxydation des hydrocarbures aromatiques est d'une importance critique pour la production d'une grande variété de composés organiques utiles. Ces procédés d'oxydation nécessitent l'utilisation de catalyseurs et de solvants, qui sont généralement dangereux pour l'environnement. Ainsi, la découverte d'un procédé d'oxydation sans solvant utilisant des particules catalytiques nanométriques a suscité une attention considérable.
De façon intéressante, particules catalytiques sub-nanoscale (subnanocatalyseurs, ou SNC) composés de métaux nobles font encore mieux leur travail car leur surface accrue et leur état électronique unique entraînent des effets favorables à l'oxydation des hydrocarbures et les empêchent également de s'oxyder eux-mêmes. Cela les rend rentables car la quantité de métal requise pour les SNC est inférieure à celle des catalyseurs de taille nanométrique.
Une équipe comprenant le Dr Miftakhul Huda, Keigo Minamisawa, Dr Takamasa Tsukamoto, et le Dr Makoto Tanabe du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), dirigé par le professeur Kimihisa Yamamoto, créé plusieurs types de SNC en utilisant des dendrimères, qui sont des molécules sphériques arborescentes qui peuvent être utilisées comme modèle pour contenir les catalyseurs souhaités. "Les dendrimères devraient fournir des nanoespaces internes qui pourraient convenir à la conversion catalytique en présence de particules métalliques, " explique Yamamoto .
Les nanocatalyseurs plus gros et les SNC oxophiles s'oxydent à leur surface, ce qui les rend moins efficaces comme catalyseurs d'oxydation des hydrocarbures dans le temps. Cependant, des SNC moins oxophiles en font des catalyseurs très efficaces et réutilisables. Crédit: Angewandte Chemie
L'équipe a créé des catalyseurs de différentes tailles, fonction du métal noble utilisé et du nombre d'atomes de chaque particule catalytique. Ils ont comparé leurs performances pour trouver le meilleur métal noble pour fabriquer des SNC, puis ont exploré le mécanisme derrière leur activité catalytique élevée. Les SNC plus petits se sont avérés meilleurs, tandis que les métaux moins oxophiles (comme le platine) étaient supérieurs. L'équipe a postulé que la surface des SNC de platine ne s'oxyde pas facilement, ce qui les rend réutilisables. Le Pt19 SNC a montré des performances catalytiques jusqu'à 50 fois plus efficaces que les nanocatalyseurs Au-Pd courants. L'équipe continuera à travailler pour faire la lumière sur ces phénomènes catalytiques.
"Le développement d'un mécanisme plus détaillé incluant des considérations théoriques est actuellement en cours, " dit Tanabe. Les applications de tels catalyseurs pourraient grandement contribuer à réduire la pollution et à améliorer notre utilisation efficace des ressources métalliques de la Terre.
(a) Le platine moins oxophile était supérieur aux autres métaux nobles dans l'oxydation aérobie du toluène. (b) Le Pt19 SNC était la plus haute performance catalytique parmi les autres Pt SNC entre 12 et 28 atomes. Crédit: Angewandte Chemie
