De nombreuses réactions que nous utilisons pour produire des composés chimiques dans les aliments, médical, et les domaines industriels ne seraient pas réalisables sans l'utilisation de catalyseurs. Un catalyseur est une substance qui, même en petite quantité, accélère la vitesse d'une réaction chimique et lui permet parfois de se produire dans des conditions plus douces (température et pression plus basses). Un bon catalyseur peut parfois multiplier le débit d'un réacteur à l'échelle industrielle ou réduire de plus de 100°C sa température de fonctionnement.

Ce n'est pas une surprise, alors, que la recherche sur les catalyseurs est cruciale pour rendre les réactions chimiques plus efficaces. Une approche émergente qui a été observée pour offrir ces avantages consiste à chauffer les nanoparticules métalliques dans certains catalyseurs directement à l'aide de micro-ondes au lieu de techniques de chauffage uniformes conventionnelles. Les nanoparticules métalliques dans les catalyseurs interagissent fortement avec les micro-ondes et sont censées être chauffées de manière sélective. Cependant, les scientifiques ont rapporté des résultats contradictoires lors de l'utilisation de cette approche, et comprendre l'effet du chauffage sélectif des nanoparticules sur les réactions chimiques est difficile car aucune méthode de mesure de leur température locale n'a encore été trouvée.

Maintenant, des scientifiques de Tokyo Tech dirigés par le professeur Yuji Wada s'attaquent à ce problème et démontrent une nouvelle approche pour mesurer la température locale des nanoparticules de platine dans un catalyseur solide. Leur méthode, comme détaillé dans leur étude publiée dans Chimie des communications , repose sur la spectroscopie à structure fine d'absorption des rayons X (XAFS), lequel, comme le nom l'indique, fournit des informations sur les petites structures locales d'un matériau à l'aide de rayons X.

Dans les oscillations XAFS étendues, une valeur appelée facteur Debye-Waller peut être dérivée. Ce facteur est composé de deux termes; un lié au désordre structurel, et un lié au désordre thermique. Si la structure du catalyseur ne change pas lors du chauffage par micro-ondes, toute variation du facteur Debye-Waller doit être due à des variations thermiques. Par conséquent, XAFS peut être utilisé pour mesurer indirectement la température des nanoparticules métalliques.

L'équipe de scientifiques a testé cette approche sur des catalyseurs platine sur alumine et platine sur silice pour déterminer dans quelle mesure les micro-ondes peuvent chauffer sélectivement les nanoparticules de platine au lieu de leur matériau de support. Le chauffage par micro-ondes s'est avéré produire une différence de température marquée entre le NP et le support. Une série d'expériences comparatives a démontré qu'une température locale plus élevée des nanoparticules métalliques dans les catalyseurs est cruciale pour obtenir des vitesses de réaction plus élevées à la même température.

Enthousiasmé par les résultats, Remarques du professeur Wada, "Ce travail est le premier à présenter une méthode d'évaluation des températures locales des nanoparticules et de leur effet sur les réactions catalytiques. Nous concluons que le chauffage local des nanoparticules de platine est efficace pour accélérer les réactions chimiques qui impliquent le platine lui-même, présentant une approche pratique pour obtenir une amélioration spectaculaire des réactions catalytiques utilisant le chauffage par micro-ondes."

Ces résultats représentent une percée pour améliorer notre compréhension du rôle du chauffage par micro-ondes dans l'amélioration des performances catalytiques. Le Dr Tsubaki ajoute :"Une concentration énergétique efficace sur les sites actifs des catalyseurs - les nanoparticules métalliques dans ce cas - devrait devenir une stratégie essentielle pour explorer la chimie des micro-ondes afin d'obtenir une utilisation efficace de l'énergie pour les réactions et de permettre des conditions plus douces pour l'accélération de la réaction." Cette nouvelle compréhension des processus catalytiques permettra, espérons-le, d'économiser des tonnes d'énergie à long terme en rendant les réacteurs plus intelligents, pas plus dur.