Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont montré que des atomes de platine uniques piégés dans des cristaux C12A7 agissent comme un catalyseur stable et efficace pour l'hydrogénation des nitroarènes, un processus essentiel dans la production de nombreux types de produits chimiques fins. Leur approche pourrait devenir une voie polyvalente pour développer d'autres catalyseurs à un seul atome pour des applications industrielles de grande envergure.

Les catalyseurs à un seul atome (SAC) sont en passe de devenir des catalyseurs de rêve, ceux qui présentent de superbes performances basées sur une utilisation optimisée des atomes métalliques. De nombreuses équipes de recherche à travers le monde travaillent à faire progresser le développement évolutif des SAC depuis leur première proposition par Tao Zhang et ses collègues en Chine et aux États-Unis en 2011.

Maintenant, dans une étude de preuve de concept qui ouvre grande la porte au développement d'une nouvelle gamme de SAC, des chercheurs de Tokyo Tech ont conçu et testé un catalyseur composé d'atomes de platine uniques piégés dans C12A7, un cristal nanoporeux largement utilisé dans la production de ciment alumineux.

La structure interne des cristaux C12A7 est « juste de la bonne taille » pour piéger les atomes de métal uniques, les chercheurs disent dans leur article publié dans Communication Nature .

"Notre approche s'apparente un peu à une stratégie de 'diamant dans un anneau', où la cavité superficielle de C12A7 peut être considérée comme un anneau, et l'unique atome de platine est fixé sur la bague comme un diamant, " déclare le premier auteur Tian-Nan Ye du Centre de recherche sur les matériaux de Tokyo Tech pour la stratégie des éléments.

Ye explique que C12A7 a une structure de charpente chargée positivement composée de douze cages de taille sub-nanométrique, chacun avec un diamètre intérieur d'environ 0,4 nanomètres, une taille appropriée pour capturer des atomes métalliques individuels. Chaque cage a une charge positive de +1/3, et les cavités de surface ont une "bouche" ouverte qui peut piéger des atomes métalliques uniques par interaction électronique.

Il a été démontré que le catalyseur est très stable et actif vis-à-vis de l'hydrogénation sélective des nitroarènes, un procédé important souvent utilisé dans les industries des colorants et des polymères. Il a une fréquence de rotation plus élevée (jusqu'à 25, 772 par heure) que celle des catalyseurs à base de platine non supportés par C12A7. Remarquablement, le nouveau catalyseur fonctionne même à des températures allant jusqu'à 600°C.

Sur la base de ces résultats prometteurs, les chercheurs ont étudié si l'effet de piégeage pouvait fonctionner en utilisant d'autres métaux. Comme ils l'avaient prédit, C12A7 était également capable de capturer des atomes simples de ruthénium et de rhodium, indiquant que leur stratégie serait applicable à divers métaux de transition.

"Nos découvertes ouvrent d'innombrables portes au développement de nouveaux types de SAC pour différents processus catalytiques, " dit Ye. En raison de sa stabilité thermique exceptionnellement élevée, le support C12A7 serait capable de résister à des conditions plus sévères impliquées dans d'autres processus industriellement importants tels que la synthèse d'ammoniac et le CO 2 réduction.

Ye souligne que le développement des SAC ne peut être séparé de l'exploration de nouveaux matériaux. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles le groupe du professeur Hideo Hosono à Tokyo Tech est particulièrement bien placé pour être un pionnier de la recherche SAC, il dit, s'appuyant sur une série de réalisations, notamment le développement de nouveaux semi-conducteurs, un supraconducteur à base de fer, et le premier électride stable à température ambiante.