Les scientifiques ont conçu un catalyseur composé de très faibles concentrations de platine (atomes isolés et amas inférieurs à des milliardièmes de mètre) à la surface du dioxyde de titane. Ils ont démontré comment ce catalyseur améliore considérablement le taux de rupture d'une liaison carbone-oxygène particulière pour la conversion d'un dérivé végétal (alcool furfurylique) en un biocarburant potentiel (2-méthylfurane). Leur stratégie, décrite dans un article publié dans Catalyse naturelle le 23 mars—pourrait être appliqué à la conception stable, actif, et des catalyseurs sélectifs basés sur une large gamme de métaux supportés sur des oxydes métalliques pour produire des produits chimiques et des carburants industriellement utiles à partir de molécules dérivées de la biomasse.

"Pour qu'une molécule génère un produit particulier, la réaction doit être dirigée le long d'une certaine voie car de nombreuses réactions secondaires qui ne sont pas sélectives pour le produit souhaité sont possibles, " a expliqué le co-auteur Anibal Boscoboinik, membre du personnel scientifique du Center for Functional Nanomaterials (CFN) Interface Science and Catalysis Group du Brookhaven National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). "Pour convertir l'alcool furfurylique en biocarburant, la liaison entre les atomes de carbone et d'oxygène sur le groupe latéral attaché à la partie annulaire de la molécule doit être rompue, sans produire de réactions dans l'anneau. Typiquement, le catalyseur métallique qui rompt cette liaison active également des réactions liées au cycle. Cependant, le catalyseur conçu dans cette étude ne rompt que la liaison carbone-oxygène du groupe latéral."

Les anneaux aromatiques sont des structures avec des atomes connectés par des liaisons simples ou doubles. Dans les molécules issues de déchets végétaux, les cycles aromatiques ont souvent des groupes latéraux contenant de l'oxygène. La transformation des dérivés de déchets végétaux en produits utiles nécessite l'élimination de l'oxygène de ces groupes latéraux en rompant des liaisons carbone-oxygène spécifiques.

"La biomasse contient beaucoup d'oxygène, qui doit être partiellement éliminé pour laisser derrière lui des molécules plus utiles pour la production de carburants renouvelables, plastiques, et lubrifiants hautes performances, " a déclaré le co-premier auteur Jiayi Fu, un étudiant diplômé du Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) de l'Université du Delaware (UD). "Hydrodésoxygénation, une réaction dans laquelle l'hydrogène est utilisé comme réactif pour éliminer l'oxygène d'une molécule, est utile pour convertir la biomasse en produits à valeur ajoutée."

Dans cette étude, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'ajout de métaux nobles à la surface d'oxydes métalliques modérément réductibles, ceux qui peuvent perdre et gagner des atomes d'oxygène, favoriserait l'hydrodésoxygénation.

"L'élimination de l'oxygène de la surface de l'oxyde forme un site d'ancrage où les molécules peuvent être maintenues en place afin que les liaisons nécessaires puissent être rompues et formées, ", a déclaré Jonathan Lym, co-premier auteur et étudiant diplômé de l'UD CCEI. "Des études antérieures dans les communautés de la catalyse et des semi-conducteurs ont montré à quel point les impuretés peuvent influencer la surface."

Pour tester leur hypothèse, l'équipe a sélectionné le platine comme métal noble et le dioxyde de titane (oxyde de titane) comme oxyde métallique. Les calculs théoriques et la modélisation ont indiqué que la formation de lacunes d'oxygène est plus énergétiquement favorable lorsque des atomes uniques de platine sont introduits à la surface de l'oxyde de titane.

Après avoir synthétisé le catalyseur platine-oxyde de titane à l'UD, ils ont effectué diverses études de caractérisation structurelle et chimique en utilisant les installations des laboratoires nationaux de Brookhaven et d'Argonne. À l'installation de microscopie électronique du CFN, ils ont imagé le catalyseur à haute résolution avec un microscope électronique à transmission à balayage. À Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ils ont utilisé la ligne de lumière de spectroscopie de rayons X in situ et Operando (IOS) et la ligne de lumière d'absorption et de diffusion rapides des rayons X (QAS) pour suivre l'état chimique (oxydation) du platine. Grâce à des études complémentaires de spectroscopie aux rayons X à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, ils ont déterminé la distance entre les atomes dans le catalyseur.

"Ce travail est un excellent exemple de la façon dont les installations scientifiques des utilisateurs fournissent aux chercheurs les informations complémentaires nécessaires pour comprendre les matériaux complexes, " a déclaré le directeur du CFN Chuck Black. " Le CFN s'est engagé dans notre partenariat avec le NSLS-II pour permettre ce genre d'études par des scientifiques du monde entier. "

De retour au Delaware, l'équipe a réalisé des études de réactivité dans lesquelles ils ont mis le catalyseur et l'alcool furfurylique dans un réacteur et détecté les produits par chromatographie en phase gazeuse, une technique de séparation chimique analytique. En plus de ces expériences, ils ont théoriquement calculé la quantité d'énergie nécessaire pour que les différentes étapes de la réaction se déroulent. Sur la base de ces calculs, ils ont effectué des simulations informatiques pour déterminer les voies de réaction préférables. Les distributions de produits simulées et expérimentales ont toutes deux indiqué que des produits de réaction annulaire négligeables sont générés lorsqu'une faible concentration de platine est présente. Au fur et à mesure que cette concentration augmente, les atomes de platine commencent à s'agréger en amas plus gros qui incitent à des réactions annulaires.

"Le cadre expérimental et informatique complémentaire permet une compréhension détaillée de ce qui se passe à la surface d'un matériau très complexe de manière à généraliser les concepts de conception rationnelle des catalyseurs, ", a déclaré Boscoboinik. "Ces concepts peuvent aider à prédire des combinaisons appropriées de métaux et d'oxydes métalliques pour effectuer les réactions souhaitées pour convertir d'autres molécules en produits de valeur."

"Ce travail d'équipe multimembre ne peut être activé que par des activités de type centre, " a ajouté l'auteur correspondant Dionisios Vlachos, la chaire UD Allan &Myra Ferguson de génie chimique.