Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont résolu un mystère concernant une réaction chimique essentielle à la production de carburant et d'engrais. La réaction dite de conversion eau-gaz forme du carburant hydrogène et du dioxyde de carbone à partir du monoxyde de carbone et de la vapeur. La recherche aborde une question fondamentale dans les transformations chimiques qui sont accomplies à l'aide de catalyseurs, des produits chimiques qui aident à accélérer les réactions et sont utilisés pour fabriquer des milliers de produits de consommation et industriels.

La découverte, publié dans le numéro d'octobre 2019 de Catalyse naturelle , aborde une question fondamentale de poule ou d'œuf en catalyse :les interactions entre les réactifs chimiques et le catalyseur créent-elles un « site actif » ou un « site actif » existe-t-il déjà dans le catalyseur ?

En utilisant une combinaison de techniques sophistiquées qui peuvent suivre la réaction en temps réel, les chercheurs, dirigé par Janos Szanyi et Vassiliki-Alexandra (Vanda) Glezakou, déterminé expérimentalement que le site actif n'est pas intrinsèque au catalyseur. Au lieu, il est créé lorsque le catalyseur rencontre ce réactif. L'équipe du PNNL a répondu à la question en observant des changements distincts dans les propriétés du catalyseur avant et après avoir rencontré ce réactif.

"Notre nouvelle compréhension nous a fourni une feuille de route pour développer des catalyseurs plus efficaces, " a déclaré Nicolas Nelson, un associé de recherche postdoctoral du PNNL et premier auteur de l'article de recherche. « Une de ces avenues consiste à utiliser un atome d'un seul métal comme site catalytique, par opposition à plusieurs centaines d'atomes de métal collés les uns aux autres. Cela maximisera l'efficacité du catalyseur en garantissant que chaque atome de métal participe à la réaction."

Si les chercheurs pouvaient se développer plus rapidement, des catalyseurs plus stables pour entraîner la réaction de conversion eau-gaz, cela augmenterait l'efficacité de la fabrication des ingrédients des engrais, comme l'ammoniac, ou des carburants tels que les hydrocarbures, méthanol, et l'hydrogène.

"Cette découverte pourrait également conduire à une plus grande diffusion de la technologie des piles à combustible dans le secteur de l'énergie, ce qui peut réduire les émissions des transports et diversifier notre portefeuille énergétique, ", a déclaré Nelson.

La découverte est l'aboutissement de plus de deux ans d'expériences réalisées au sein de l'Institut de Catalyse Intégrée du PNNL, qui explore et développe la chimie et la technologie des processus catalysés qui permettent un avenir neutre en carbone. Les chercheurs ont utilisé un équipement spécialisé qui peut « voir » la réaction se produire en temps réel. En combinant deux formes de spectroscopie, les chercheurs ont pu suivre le processus de réaction avec des détails sans précédent, trier précisément quand et comment les produits chimiques se sont combinés et comment les produits ont été générés. La combinaison de la capacité de l'instrument et des expériences utilisant des séquences de gaz non conventionnelles était essentielle pour identifier l'intermédiaire clé pendant la réaction de conversion eau-gaz.

L'intermédiaire dans cette réaction, appelé carboxyle, a été théoriquement proposé il y a plus de 10 ans, n'a pas encore été détecté expérimentalement jusqu'à présent. L'évolution et la détection de cet intermédiaire est une découverte importante qui change la façon dont les scientifiques envisagent l'interaction entre l'hydrogène et les catalyseurs à un seul métal. La nouvelle perspective aidera non seulement au développement de catalyseurs pour la conversion eau-gaz, mais également à de nombreuses autres réactions impliquant l'hydrogène.