Pour optimiser les performances du catalyseur, une équipe de scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de ses collaborateurs a développé une compréhension détaillée de l'effet des changements structurels et compositionnels à l'échelle nanométrique induits par le prétraitement sur l'activité du catalyseur et la stabilité à long terme.

La recherche pourrait rendre la production de l'acétaldéhyde chimique, une matière première industrielle importante, plus efficace.

Des améliorations de l'efficacité énergétique de la production chimique sont nécessaires pour relever les défis énergétiques mondiaux. La catalyse hétérogène utilisant des nanomatériaux a le potentiel d'augmenter considérablement l'efficacité grâce à l'amélioration de la sélectivité de la réaction et à la diminution de la température de fonctionnement pour les processus à haut volume. Les nanomatériaux peuvent également permettre de nouveaux processus catalytiques qui améliorent l'efficacité en éliminant le besoin de séparation des sous-produits, comme l'eau.

La production de l'acétaldéhyde est un bon exemple de la nécessité d'améliorer l'efficacité énergétique des transformations chimiques. L'acétaldéhyde est une matière première pour plusieurs produits chimiques industriels.

Le procédé actuel de production d'acétaldéhyde est la déshydrogénation oxydative de l'éthanol catalysée par l'argent, ce qui nécessite une température élevée et la séparation du sous-produit, l'eau.

Mais l'équipe LLNL et ses collaborateurs ont trouvé un moyen de stabiliser les catalyseurs au cuivre (Cu) dopé au nickel (Ni) qui permettent la déshydrogénation catalytique directe non oxydante de l'éthanol vers l'acétaldéhyde et l'hydrogène, un carburant propre.

« La déshydrogénation non oxydante de l'éthanol présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de production actuelles, y compris générer de l'hydrogène comme sous-produit tout en évitant simultanément la séparation de l'eau, le sous-produit de la déshydrogénation oxydante de l'éthanol, " a déclaré Juergen Biener, scientifique des matériaux du LLNL, auteur principal d'un article paru dans la revue Science et technologie de la catalyse .

Les scientifiques s'intéressent aux catalyseurs composés de Ni et de Cu en raison de leur utilisation dans de nombreuses applications catalytiques et électrocatalytiques (y compris la réduction du dioxyde de carbone). Ils sont également abondants et relativement peu coûteux.

En utilisant la spectroscopie photoélectronique aux rayons X in situ et ex situ et diverses techniques de microscopie électronique, l'équipe a découvert que l'activité catalytique et la stabilité d'un catalyseur en alliage NiCu nanoporeux (np) peuvent être améliorées en générant un état souterrain de Ni piégé cinétiquement grâce à un prétraitement à l'oxygène.

L'exposition de la surface oxydée à l'éthanol à la température de réaction réduit la surface de CuO tandis que la plupart du Ni reste oxydé et noyé dans le Cu. Dans cet état, Le dopage Ni fournit une activité stable (plus de 60 heures) et améliorée pour la déshydrogénation catalytique de l'éthanol en acétaldéhyde et hydrogène.

"Cette étude souligne l'importance de comprendre les changements dynamiques des surfaces catalytiques déclenchés par l'exposition aux gaz réactifs en tant qu'outil pour régler les propriétés des matériaux et améliorer leurs performances, avec des implications s'étendant à l'électrocatalyse, photocatalyse, la science des matériaux, applications biologiques à base de métaux et au-delà, " dit Biener.