L'utilisation d'atomes uniques réduit le coût des catalyseurs. Crédit :Université de technologie de Vienne
Pendant des années, les nanoparticules métalliques utilisées dans les catalyseurs sont de plus en plus petites. Maintenant, une équipe de recherche à la TU Wien à Vienne, L'Autriche a montré que tout est soudainement différent lorsqu'on arrive à la plus petite taille possible :un seul atome.
Des métaux tels que l'or ou le platine sont souvent utilisés comme catalyseurs. Dans les pots catalytiques des véhicules, par exemple, les nanoparticules de platine convertissent le monoxyde de carbone toxique en CO non toxique
Les catalyseurs à un seul atome sont le point final logique de cette réduction des effectifs :le métal n'est plus présent sous forme de particules, mais en tant qu'atomes individuels qui sont ancrés à la surface d'un matériau de support moins cher. Les atomes individuels ne peuvent plus être décrits en utilisant les règles développées à partir de plus gros morceaux de métal, les règles utilisées pour prédire quels métaux seront de bons catalyseurs doivent donc être repensées - c'est maintenant chose faite à la TU Wien. Comme il s'avère, des catalyseurs à un seul atome basés sur des matériaux beaucoup moins chers pourraient être encore plus efficaces. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue Science .
Plus petit est parfois mieux
Seuls les atomes extérieurs du morceau de métal peuvent jouer un rôle dans les processus chimiques - après tout, les atomes à l'intérieur n'entrent jamais en contact avec l'environnement. Afin d'économiser du matériel, il est donc préférable d'utiliser de minuscules particules métalliques au lieu de gros morceaux, de sorte qu'une plus grande proportion des atomes résident à la surface. Si nous allons à la limite ultime et utilisons des atomes individuels, chaque atome est chimiquement actif. Au cours de la dernière décennie, le domaine de la catalyse « à un seul atome » s'est considérablement développé, obtenir un grand succès.
Mauvais modèle, bonne solution
"Les raisons pour lesquelles certains métaux précieux sont de bons catalyseurs ont déjà été recherchées dans les années 1970, " explique le professeur Gareth Parkinson de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. " Par exemple, Gerhard Ertl a reçu le prix Nobel de chimie en 2007 pour avoir fourni des informations à l'échelle atomique sur la catalyse. »
Dans un morceau de métal, un électron ne peut plus être attribué à un atome spécifique; les états électroniques résultent de l'interaction de nombreux atomes. "Pour les atomes individuels, les anciens modèles ne sont plus applicables", déclare Gareth Parkinson. "Les atomes individuels ne partagent pas les électrons comme un métal, donc les bandes d'électrons, dont l'énergie était la clé pour expliquer la catalyse, n'existent tout simplement pas dans ce cas."
Gareth Parkinson et son équipe ont donc étudié de manière intensive les mécanismes atomiques derrière cette catalyse à un seul atome ces dernières années. "Dans de nombreux cas, les métaux que nous considérons comme de bons catalyseurs restent de bons catalyseurs sous la forme d'atomes individuels", explique Gareth Parkinson. "Dans les deux cas ce sont les mêmes électrons, les électrons dits d, qui en sont responsables."
Propriétés personnalisées grâce à des surfaces sur mesure
Des possibilités entièrement nouvelles apparaissent dans la catalyse à un seul atome qui ne sont pas disponibles lors de l'utilisation de particules métalliques ordinaires :« Selon la surface sur laquelle nous plaçons les atomes métalliques et les liaisons atomiques qu'ils forment, on peut changer la réactivité des atomes, " explique Parkinson.
Dans certains cas, les métaux particulièrement chers comme le platine ne sont plus forcément le meilleur choix. "Les atomes de nickel individuels sont très prometteurs pour l'oxydation du monoxyde de carbone. Si nous comprenons les mécanismes atomiques de la catalyse à un seul atome, nous avons beaucoup plus de latitude pour influencer les processus chimiques, " dit Parkinson.
Huit métaux différents ont été précisément analysés de cette manière à la TU Wien - les résultats correspondent parfaitement aux modèles théoriques qui ont maintenant été développés en collaboration avec le professeur Cesare Franchini de l'Université de Vienne.
"Les catalyseurs sont très importants dans de nombreux domaines, surtout lorsqu'il s'agit de réactions chimiques qui jouent un rôle majeur dans les tentatives de développement d'une économie des énergies renouvelables, " souligne Gareth Parkinson. " Notre nouvelle approche montre qu'il n'est pas toujours nécessaire que ce soit du platine. " Le facteur décisif est l'environnement local des atomes - et si vous le choisissez correctement, vous pouvez développer de meilleurs catalyseurs tout en économisant des ressources et des coûts.
