Des collaborateurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et d'universités américaines ont utilisé la diffusion de neutrons et d'autres techniques de caractérisation avancées pour étudier comment un catalyseur de premier plan permet à la réaction de "transfert eau-gaz" de purifier et de générer de l'hydrogène à l'échelle industrielle.

Résultats publiés dans le Journal de l'American Chemical Society réglé un débat de longue date sur le mécanisme de réaction du catalyseur, ouvrir des voies pour améliorer le coût et l'efficacité de la production d'hydrogène à grande échelle.

"Notre travail fait considérablement progresser la compréhension fondamentale d'un complexe, catalyseur critique pour l'industrie qui a été difficile à étudier, " a déclaré Zili Wu de la division des sciences chimiques de l'ORNL. " Déterminer comment cette réaction fonctionne au niveau atomique permet de poursuivre les efforts pour optimiser le catalyseur pour de meilleures performances. "

Les collaborateurs ont étudié un catalyseur d'oxyde de cuivre-chrome-fer (CuCrFeO X ) fourni par l'Université Lehigh.

"Nous connaissons déjà le CuCrFeO existant X le catalyseur fonctionne, mais comment cela fonctionne a fait l'objet d'un débat, " a déclaré Felipe Polo-Garzon de l'ORNL, qui a travaillé avec Wu sur l'approche multimodale de l'équipe pour identifier le mécanisme de réaction du catalyseur.

L'objectif était d'étudier comment le catalyseur se comporte dans des conditions réelles pour trouver des preuves d'une oxydo-réduction ("redox") ou d'un mécanisme associatif - deux théories prédominantes sur la façon dont CuCrFeO X travaille à produire de l'hydrogène.

Dans une réaction d'oxydoréduction, les réactifs échangent une partie de leurs atomes avec la surface du catalyseur pour donner de nouvelles substances, dans cet exemple, l'hydrogène et le dioxyde de carbone. Par contre, dans une réaction associative, toutes les molécules réagissantes se lient à la surface du catalyseur dans une étape intermédiaire pour arriver aux produits finaux.

Pour prouver sans ambiguïté comment le CuCrFeO X le catalyseur fonctionne (mécanisme redox vs. associatif), les chercheurs ont jeté un large réseau de méthodes expérimentales et informatiques.

Tous les résultats indiquaient la même conclusion :une réaction d'oxydoréduction. Dans des conditions de haute température, le catalyseur perd des atomes d'oxygène pour faire place aux molécules d'eau qui se dissocient et dégagent de l'hydrogène pur.

"La réponse est importante car elle nous aide à identifier le point critique de la réaction où l'hydrogène est généré, " dit Polo-Garzon.

De nombreux catalyseurs existants ont été créés par essais et erreurs, ce qui limite souvent leur efficacité. La découverte fondamentale de l'équipe pourrait éliminer les conjectures et indiquer aux chercheurs précisément où chercher des opportunités de synthétiser un meilleur catalyseur pour générer de l'hydrogène.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant sur terre, mais il ne se présente pas naturellement sous la forme pure nécessaire aux industries de raffinage du pétrole, production d'ammoniac pour les engrais, préparation des aliments, traitement des métaux, et d'autres applications générales. La majeure partie de l'approvisionnement en hydrogène dans le monde est produite par le reformage du méthane à la vapeur, c'est-à-dire la conversion du gaz naturel en un mélange d'hydrogène qui est raffiné via une catalyse de conversion eau-gaz pour produire de l'hydrogène pur.

Plusieurs facteurs limitent la compréhension de ce qui rend possible la génération d'hydrogène au cours de la réaction de conversion eau-gaz. Le CuCrFeO X le catalyseur se reconstruit pendant le fonctionnement, donc les versions fraîches et épuisées sont différentes, ce qui rend particulièrement difficile la caractérisation du matériau. Précédemment, des informations sur la façon dont la chimie de surface change au cours des conditions de réaction ont été absentes du puzzle.

Un autre obstacle est la couleur du composé. Le catalyseur noir obstrue la spectroscopie optique et d'autres techniques conventionnelles qui reposent sur la lumière pour obtenir des données, parce que l'échantillon est trop sombre pour "voir" efficacement.

Expériences de spectroscopie vibrationnelle neutronique réalisées sur la ligne de lumière VISION à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science, aidé à surmonter certains des défis de l'étude de CuCrFeO X .

Parce que les neutrons interagissent avec les échantillons différemment de la lumière, ils peuvent compléter les informations obtenues à partir des techniques optiques. Elles sont également idéales pour l'observation de l'hydrogène, ce qui est difficile à détecter avec d'autres méthodes expérimentales en raison du faible poids atomique de l'élément.

Le gain était double, dit Polo-Garzon. "Les neutrons nous ont donné une pièce critique du puzzle pour réfuter le mécanisme associatif, nous montrant qu'aucun intermédiaire pertinent n'était présent à la surface du catalyseur, " a-t-il dit. " Nous avons également observé quelque chose qui n'avait pas été détecté auparavant à la surface du catalyseur :les hydrures. "

Les hydrures sont des espèces de surface qui jouent un rôle clé dans les réactions à base d'hydrogène, mais sont extrêmement difficiles à observer dans les matériaux mixtes comme le CuCrFeO X .

En plus des expériences neutroniques, les chercheurs ont effectué la spectroscopie infrarouge et la caractérisation des réactions de surface à température programmée au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et analyse cinétique transitoire isotopique à l'ORNL; spectroscopie photoélectronique aux rayons X à pression proche de l'ambiante à l'Université du Kansas; et calculs de la théorie fonctionnelle de la densité à l'Université de Californie, Bord de rivière, qui a utilisé les ressources du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

"Vous avez besoin de plus d'une approche pour rassembler et interpréter toutes les informations nécessaires pour construire toute l'histoire, " a déclaré Polo-Garzon. " Notre collaboration met en évidence le succès d'une approche multimodale pour produire des percées fondamentales. "

L'article de journal est publié sous le titre "Elucidation of the Reaction Mechanism for High-Temperature Water Gas Shift over an Industrial-Type Copper-Chromium-Iron Oxide Catalyst".