Les polluants sortant des pots d'échappement des voitures sont nocifs pour l'environnement et la santé publique. Dans le but de réduire globalement les émissions des voitures, le département américain de l'énergie (DOE) a lancé un défi aux scientifiques du monde entier :convertir catalytiquement 90 % de tous les polluants critiques (hydrocarbures, CO 2 , NON X etc.) dans les gaz d'échappement des voitures en substances moins nocives à 150 °C. Cependant, les catalyseurs hétérogènes à base de nanoparticules, comme le catalyseur d'échappement à trois voies utilisé dans les voitures, fonctionnent mieux à des températures élevées (entre 200 et 400 °C), rendant ainsi le défi du DOE à 150 °C difficile à atteindre.

Maintenant, chercheurs du Groupe López, ont étudié en détail le comportement des atomes simples de Pt supportés sur CeO 2 — ce que les chercheurs soutiennent surpasserait les nanoparticules de Pt supportées par CeO 2 actuellement utilisé dans le catalyseur d'échappement à trois voies. Les résultats, Publié dans Matériaux naturels , montrent que l'hypothèse courante d'une charge statique dans la catalyse à un seul atome est simplifiée à l'extrême. Au lieu, les scientifiques proposent une charge dynamique, capable d'expliquer la réactivité unique trouvée pour les atomes de platine simples activés sur l'oxyde de cérium, qui à son tour peut effectuer une oxydation du CO répondant au défi DOE 150ºC pour les émissions.

Charge dynamique et état d'oxydation

Depuis que le domaine de la catalyse à un seul atome a prospéré, les scientifiques ont travaillé pour comprendre le comportement intime à l'interface entre les catalyseurs à atome unique et les oxydes qui les soutiennent, en espérant que cette connaissance permettra le réglage de leur activité catalytique. Les scientifiques du groupe López ont combiné la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et la dynamique moléculaire des premiers principes (BOMD) pour élucider ce qui se passe exactement à l'interface.

Les simulations ont révélé un système métastable où les atomes de Pt ont plusieurs états d'oxydation qui se chevauchent, permettant au catalyseur de passer d'un état à un autre. Ces états d'oxydation dynamiquement interconnectés sont "un concept complètement nouveau, " comme Nathan Daelman, premier auteur de l'étude, explique.

Pour les scientifiques, il est clair que le comportement dynamique influence la réactivité du système et, pour la première fois, ils ont pu expliquer l'étape d'activation du Pt nécessaire pour que les catalyseurs d'échappement à trois voies fonctionnent correctement dans des conditions de travail DOE à 150 °C. Aux chercheurs, les prochaines étapes travailleront à préparer un modèle du mécanisme qui sera capable de prédire avec la température le comportement du système catalytique.