Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont découvert un catalyseur à base de carbone sans métal qui a le potentiel d'être beaucoup moins cher et plus efficace pour de nombreuses entreprises industrielles, y compris la fabrication de biocarburants et de combustibles fossiles, électrocatalyse, et les piles à combustible.

Dans leur forme la plus fondamentale, ces procédés industriels impliquent la séparation de liaisons chimiques fortes, comme l'hydrogène-hydrogène, carbone-oxygène, et les liaisons carbone-hydrogène. Traditionnellement, cela a été accompli avec des catalyseurs qui utilisent des métaux de transition ou précieux, beaucoup d'entre eux sont chers et peu abondants, comme le platine et le palladium.

Les scientifiques ont réalisé des expériences avec un type de catalyseur hétérogène, Azote-Assemblage Carbones (NACs), dans lequel la conception et le placement de l'azote sur la surface du carbone ont grandement influencé l'activité catalytique du matériau. On croyait auparavant que ces atomes N sur les surfaces carbonées étaient éloignés les uns des autres, car le placement rapproché des atomes N est thermodynamiquement instable.

L'équipe d'Ames Lab a corrélé les précurseurs de N et la température de pyrolyse pour la synthèse des NAC avec la distribution de N et a découvert que des assemblages de N métastables peuvent être fabriqués par conception et produire des réactions catalytiques inattendues. De telles réactions comprennent l'hydrogénolyse des éthers d'aryle, déshydrogénation de l'éthylbenzène et de la tétrahydroquinoléine, et l'hydrogénation des fonctionnalités insaturées courantes (telles que la cétone, alcène, alcyne, et groupes nitro). De plus, les catalyseurs NAC sont robustes avec une sélectivité et une activité constantes pour les réactions en phase liquide et gazeuse à haute température et/ou pression.

"Nous avons découvert que la façon dont l'azote était distribué à la surface de ces NAC comptait vraiment, et dans le processus réalisé qu'il s'agissait d'un tout nouveau type d'activité chimique, " a déclaré Long Qi, scientifique associé du laboratoire Ames.

"La découverte devrait permettre aux scientifiques de concevoir des assemblages d'azote capables d'accomplir des transformations chimiques plus sophistiquées et plus difficiles sans avoir besoin de métaux de transition", a déclaré Wenyu Huang, scientifique du laboratoire Ames. "Cela s'applique largement à de nombreux types différents de conversions chimiques et d'industries."