Les catalyseurs sont des marieurs chimiques :ils rapprochent d'autres produits chimiques, augmenter les chances qu'ils réagissent les uns avec les autres et produisent quelque chose que les gens veulent, comme le carburant ou l'engrais.

Étant donné que certains des meilleurs matériaux catalytiques sont également assez chers, comme le platine dans le pot catalytique d'une voiture, les scientifiques ont cherché des moyens de réduire la quantité qu'ils doivent utiliser.

Maintenant, les scientifiques ont leur premier direct, regard détaillé sur la façon dont un seul atome catalyse une réaction chimique. La réaction est la même que celle qui élimine le monoxyde de carbone toxique des gaz d'échappement des voitures, et les atomes individuels d'iridium ont fait le travail jusqu'à 25 fois plus efficacement que les nanoparticules d'iridium contenant 50 à 100 atomes qui sont utilisées aujourd'hui.

L'équipe de recherche, dirigé par Ayman M. Karim de Virginia Tech, rapporté les résultats dans Catalyse naturelle .

"Ces catalyseurs à un seul atome sont un sujet brûlant en ce moment, " a déclaré Simon R. Bare, co-auteur de l'étude et scientifique distingué du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, où se sont déroulés les principaux travaux. "Cela nous donne un nouvel objectif pour regarder les réactions à travers, et de nouvelles perspectives sur leur fonctionnement."

Karim a ajouté, "A notre connaissance, c'est le premier article à identifier l'environnement chimique qui rend un seul atome catalytiquement actif, déterminer directement son niveau d'activité par rapport à une nanoparticule, et montrent qu'il existe des différences très fondamentales - des mécanismes entièrement différents - dans la façon dont ils réagissent."

Est-ce que plus petit est vraiment mieux ?

Les catalyseurs sont l'épine dorsale de l'industrie chimique et essentiels au raffinage du pétrole, où ils aident à décomposer le pétrole brut en essence et autres produits. Les catalyseurs d'aujourd'hui se présentent souvent sous la forme de nanoparticules attachées à une surface poreuse comme une éponge - si pleine de petits trous qu'un seul gramme de celle-ci, déplié, pourrait couvrir un terrain de basket. Cela crée une zone énorme où des millions de réactions peuvent avoir lieu à la fois. Lorsque du gaz ou du liquide s'écoule sur et à travers la surface spongieuse, les produits chimiques se fixent aux nanoparticules, réagissent les uns avec les autres et s'éloignent. Chaque catalyseur est conçu pour favoriser une réaction spécifique encore et encore.

Mais les réactions catalytiques n'ont lieu qu'à la surface des nanoparticules, Bare a dit, "et même si ce sont de très petites particules, le métal coûteux à l'intérieur de la nanoparticule est gaspillé."

Atomes individuels, d'autre part, pourrait offrir le summum de l'efficacité. Chaque atome pourrait agir comme un catalyseur, saisir les réactifs chimiques et les maintenir rapprochés jusqu'à ce qu'ils se lient. Vous pourriez en mettre beaucoup plus dans un espace donné, et pas un grain de métal précieux ne serait gaspillé.

Les atomes simples ont un autre avantage :contrairement aux amas d'atomes, qui sont liés les uns aux autres, les atomes simples ne sont attachés qu'à la surface, ils ont donc plus de sites de liaison potentiels disponibles pour effectuer des astuces chimiques - ce qui dans ce cas s'est avéré très utile.

La recherche sur les catalyseurs à un seul atome a explosé ces dernières années, Karim a dit, mais jusqu'à présent, personne n'a été en mesure d'étudier leur fonctionnement avec suffisamment de détails pour voir toutes les étapes intermédiaires fugaces en cours de route.

Obtenir de l'aide

Pour obtenir plus d'informations, l'équipe a examiné une réaction simple où des atomes uniques d'iridium divisent des molécules d'oxygène en deux, et les atomes d'oxygène réagissent ensuite avec le monoxyde de carbone pour créer du dioxyde de carbone.

Ils ont utilisé quatre approches – la spectroscopie infrarouge, microscopie électronique, calculs théoriques et spectroscopie de rayons X avec des faisceaux de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC - pour attaquer le problème sous différents angles, et cela était crucial pour obtenir une image complète.

"Ce n'est jamais une seule chose qui vous donne la réponse complète, " Bare a déclaré. "Ce sont toujours plusieurs pièces du puzzle qui s'assemblent."

L'équipe a découvert que chaque atome d'iridium fait, En réalité, effectuer une astuce chimique qui améliore ses performances. Il attrape une seule molécule de monoxyde de carbone dans le flux de gaz qui passe et s'y accroche, comme une personne qui met un paquet sous son bras. La formation de cette liaison déclenche de minuscules changements dans la configuration des électrons de l'atome d'iridium qui l'aident à diviser l'oxygène, il peut donc réagir avec le monoxyde de carbone restant et le convertir en dioxyde de carbone beaucoup plus efficacement.

D'autres questions nous attendent :ce même mécanisme fonctionnera-t-il dans d'autres réactions catalytiques, leur permettant de fonctionner plus efficacement ou à des températures plus basses ? Comment la nature du catalyseur à un seul atome et la surface sur laquelle il repose affectent-elles sa liaison avec le monoxyde de carbone et le déroulement de la réaction ?

L'équipe prévoit de retourner à SSRL en janvier pour poursuivre les travaux.