Déterminer les énergies de liaison optimales pour les réactions chimiques hétérogènes - ce qui signifie généralement que le réactif est en phase gazeuse ou liquide alors que le catalyseur est un solide - est essentiel pour de nombreux aspects de la société moderne, car nous comptons sur de telles réactions pour des processus aussi divers que la production d'engrais et de plastiques. Il existe une énergie de liaison optimale, c'est-à-dire le degré d'interaction entre les réactifs et le catalyseur, là où le processus est le plus efficace (si elle est trop faible, les réactifs ne réagiront pas avec le catalyseur, et s'il est trop élevé, ils y resteront liés), et les catalyseurs sont conçus sur cette base.
Maintenant, dans une découverte qui pourrait conduire au développement de nouveaux catalyseurs qui ne reposent pas sur des métaux rares coûteux, des scientifiques du RIKEN Center for Sustainable Resource Science ont montré que l'énergie de liaison optimale peut s'écarter des calculs traditionnels, qui sont basés sur la thermodynamique d'équilibre, à des vitesses de réaction élevées. Cela signifie qu'il peut être nécessaire de reconsidérer la conception des catalyseurs à l'aide des nouveaux calculs pour obtenir les meilleurs taux.
Les réactions chimiques hétérogènes sont utilisées dans de nombreux procédés industriels. Parmi les plus connues, citons la production d'ammoniac via le procédé Haber-Bosch, la production de matières plastiques par réaction de Ziegler-Natta, et la désulfuration du pétrole. En 1911, le chimiste français Paul Sabatier a proposé, basé sur des expériences, qu'il existe une énergie de liaison optimale qui permet de maximiser l'activité catalytique. Récemment, les progrès de la chimie computationnelle ont fourni un cadre permettant de calculer l'énergie de liaison optimale, basé sur la thermodynamique d'équilibre et en supposant que le processus se déroulera sans heurts si toutes les étapes du processus sont thermodynamiquement favorables. Ici, le rôle du catalyseur est d'améliorer la thermodynamique de l'étape la plus défavorable. Le hic, c'est que « optimum » est généralement compris comme signifiant que la réaction nécessite le moins de force motrice possible, pour qu'il soit thermodynamiquement efficace, mais dans le monde réel, il est souvent plus pratique d'avoir un taux de catalyse plus élevé, même si une force motrice plus importante est nécessaire.
L'équipe a effectué une nouvelle série de calculs, basé sur la modélisation de la cinétique de réaction, qui tiennent compte de cet écart, et calculé de nouvelles énergies de liaison optimales pour l'oxydation de l'hydrogène, qui utilise la catalyse hétérogène, constatant que les calculs donnaient des valeurs différentes à des vitesses de réaction élevées. « Nous étions heureux de voir, " dit Hideshi Ooka, le premier auteur de l'étude, « que nos calculs prédisent de nouvelles stratégies de conception de catalyseurs qui n'auraient pas pu être obtenues en utilisant les méthodes traditionnelles, approche thermodynamique."
Selon Ryuhei Nakamura, chef de l'équipe de recherche sur les catalyseurs biofonctionnels du Center for Sustainable Resource Center, « Sur la base de ce constat, nous prévoyons de rechercher de nouveaux catalyseurs, utilisant des éléments tels que le cuivre ou le nickel, qui peuvent faire avancer des réactions catalytiques hétérogènes mais sont moins coûteuses et plus respectueuses de l'environnement que les actuelles, qui nécessitent souvent des métaux précieux tels que le platine et le palladium."
Il continue, "Par conséquent, la recherche pour trouver de nouveaux catalyseurs en utilisant notre méthode pourrait contribuer à atteindre trois des Objectifs de Développement Durable des Nations Unies :Objectif 7 (énergie abordable et propre), Objectif 12 (production et consommation responsables), et l'objectif 13 (action climatique)."
L'étude est publiée dans The Journal des lettres de chimie physique .
