Un composé cristallin appelé dioxyde de ruthénium est largement utilisé dans les procédés industriels, où il est particulièrement important pour catalyser une réaction chimique qui sépare les molécules d'eau et libère de l'oxygène. Mais le mécanisme exact qui se déroule à la surface de ce matériau, et comment cette réaction est affectée par l'orientation des surfaces cristallines, n'avait jamais été déterminé en détail. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions a pour la première fois pu étudier directement le processus au niveau atomique.

Les nouveaux résultats sont rapportés cette semaine dans le journal Catalyse naturelle , dans un article du professeur du MIT Yang Shao-Horn, récents étudiants diplômés Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano et Jaclyn Lunger, et 10 autres au MIT, Laboratoire National d'Argonne, et d'autres établissements.

Le travail a impliqué des années de collaboration et un processus itératif entre la modélisation informatique atome par atome du processus catalytique, et des expériences de précision dont certaines utilisant une installation unique de rayonnement X synchrotron à Argonne, qui permet de sonder à l'échelle atomique la surface du matériau.

"Je pense que l'aspect passionnant du travail est que nous repoussons un peu les limites de notre compréhension de la catalyse de l'eau de fractionnement, " Shao-Horn dit. "Nous essayons d'apprendre ce qui se passe sur les sites d'oxygène de surface dans des conditions de réaction, une étape critique vers la définition des sites actifs pour la division de l'eau."

Le procédé catalytique, connue sous le nom de réaction de dégagement d'oxygène, est crucial pour la production d'hydrogène et d'ammoniac à des fins énergétiques, fabriquer des carburants synthétiques neutres en carbone, et la fabrication de métaux à partir d'oxydes métalliques. Et actuellement, les surfaces de dioxyde de ruthénium sont « l'étalon-or des catalyseurs pour le fractionnement de l'eau, " selon Shao-Horn.

Alors que le processus de séparation de l'eau pour séparer les atomes d'oxygène de leurs deux atomes d'hydrogène attachés à la surface d'un catalyseur peut sembler simple, au niveau moléculaire, Rao dit, "cette interface est assez compliquée. Vous avez un très grand nombre de molécules d'eau et votre surface peut être complètement désordonnée et avoir plusieurs processus se produisant en même temps." Afin de donner un sens à tout cela, "la première chose que nous faisons est de réduire la complexité en ayant des surfaces monocristallines vraiment bien définies" où l'emplacement exact de chaque atome a été déterminé en utilisant la diffusion des rayons X synchrotron pour sonder la surface.

« En utilisant cette technique, nous pouvons essentiellement zoomer sur cette couche supérieure, " elle dit, puis ils peuvent faire varier la tension appliquée à la surface pour voir comment le processus d'oxydation de l'eau est affecté. Dans la nouvelle étude, parce que les chercheurs avaient déterminé l'activité et les sites de réaction pour différentes orientations de surface du cristal, ils ont pu incorporer ces informations dans leur modélisation moléculaire sur ordinateur. Cela leur a permis de mieux comprendre l'énergétique des réactions se déroulant dans des configurations atomiques spécifiques à la surface.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que « c'est beaucoup plus intrigant, " parce qu'il n'y a pas qu'un seul site qui est responsable de la réaction, dit Rao. "Ce n'est pas comme si chaque site était identique, mais vous avez différents sites qui peuvent jouer différents rôles" dans l'ensemble des étapes de la réaction. Différentes étapes déterminant la vitesse peuvent être possibles, avec les taux relatifs de fractionnement de l'eau influencés par l'orientation des faces exposées du réseau cristallin, et les nouvelles connaissances peuvent aider à optimiser la façon dont les catalyseurs sont préparés afin d'optimiser les vitesses de réaction.

Rao dit que comprendre au niveau moléculaire l'influence de ces différences subtiles pourrait aider à concevoir de futurs catalyseurs qui pourraient dépasser les niveaux d'activité les plus élevés qui seraient prédits par les méthodes traditionnelles de description des structures électroniques.

Shao-Horn ajoute que si leur étude portait spécifiquement sur le dioxyde de ruthénium, le travail de modélisation qu'ils ont effectué pourrait être appliqué à une variété de processus catalytiques, tout cela impliquait des réactions similaires de rupture et de recréation de liaisons chimiques par le biais d'interactions avec des sites actifs à la surface du matériau.

La modélisation de l'activité de surface pourrait être utilisée pour aider à la sélection de nouveaux matériaux catalytiques potentiels pour une variété de réactions, elle dit, par exemple pour trouver des matériaux qui utilisent moins de rare, éléments coûteux.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.