Des chercheurs en chimie de la Georgia State University ont percé l'un des mystères des réactions catalytiques à l'échelle microscopique, permettant la conception de procédés industriels plus efficaces.

Les catalyseurs, qui accélèrent les réactions chimiques dans tout, de la digestion des aliments aux moteurs à combustion dans les véhicules, sont essentiels pour transformer les matières premières en produits utiles dans les industries, y compris le pétrole, plastiques, papier, pharmaceutiques et brassicoles. Comprendre comment les réactions se produisent peut aider les scientifiques à concevoir de meilleurs catalyseurs qui sont plus économes en énergie et respectueux de l'environnement.

Les chercheurs ont établi une nouvelle stratégie d'imagerie qui peut suivre des molécules uniques lorsqu'elles se déplacent à travers de minuscules pores dans les coquilles de sphères de silice et surveiller la dynamique de réaction chimique sur les centres catalytiques au cœur, produire les premières mesures quantitatives de la façon dont le confinement à l'échelle nanométrique accélère réellement les réactions catalytiques.

Comprendre cet « effet de nanoconfinement » surprenant pourrait aider à guider la conception de précision de catalyseurs industriels plus efficaces qui peuvent conserver l'énergie.

« Vous voulez fabriquer un produit spécifique et vous avez le choix entre différents matériaux poreux qui peuvent faire différentes choses. Lequel vous donnera le meilleur taux de conversion et la vitesse la plus élevée ? » dit Ning Fang, professeur agrégé de chimie à l'État de Géorgie, qui a publié les résultats de la recherche dans Communication Nature . "Maintenant, nous avons une théorie basée sur des preuves expérimentales que nous ajoutons aux simulations pour avoir une meilleure prédiction de ce qui pourrait être le résultat de l'utilisation de certains catalyseurs."

L'étude des réactions catalytiques était auparavant limitée aux modèles théoriques et informatiques. Le système d'imagerie à molécule unique, conçu par l'associé de recherche postdoctoral de l'État de Géorgie Bin Dong et publié dans Catalyse naturelle , permet aux chercheurs pour la première fois de voir et de mesurer les réactions se produisant sur une minuscule sphère poreuse multicouche créée par des collaborateurs de l'Iowa State University dirigés par le professeur Wenyu Huang et l'associé de recherche postdoctoral Yuchen Pei.

Les molécules réactives doivent s'orienter dans une direction spécifique pour passer à travers les nanopores, des ouvertures environ 100 fois plus petites que la largeur d'une mèche de cheveux. Les nanopores ont un diamètre comparable à la taille de la molécule de réactif et lorsque sa pointe atteint le noyau actif, il déclenche immédiatement la première étape de la réaction au contact. Le produit intermédiaire généré, cependant, est piégé par le nanopore alors que la réaction se poursuit en trois étapes pour former la molécule de produit final.

Contrairement à la théorie conventionnelle, cette "barrière nanoporeuse" accélère la réaction au lieu de la ralentir, basé sur la mesure expérimentale de Fang de l'énergie d'activation. Bien que le mouvement moléculaire soit limité par la présence d'une coquille poreuse, le processus est en fait amplifié par le confinement, l'étude a trouvé.

"Instinctivement, on s'attendrait à une diminution de l'activité lorsque les centres catalytiques sont protégés des molécules réactives par une coque nanoporeuse, " dit Fang. " Cependant, nos preuves expérimentales racontent une histoire différente. Et plus surprenant, les activités catalytiques sont encore améliorées pour les catalyseurs avec des structures de nanopores plus longues et plus étroites jusqu'à ce que les avantages du nanoconfinement soient dépassés par le transport moléculaire restreint dans la coque nanoporeuse. »

Cette découverte pourrait avoir des implications majeures dans l'ingénierie de nouveaux catalyseurs. Par exemple, l'équivalent de plus de 500 millions de barils d'essence est utilisé chaque année pour transformer l'éthane et le propane en alcènes qui servent à fabriquer des plastiques, détergents et autres produits. L'application de catalyseurs plus efficaces à grande échelle pourrait économiser beaucoup d'énergie dans le processus.