Tiens bon, graphène. Sérieusement, votre adhérence pourrait aider à faire de meilleurs catalyseurs.

Les ingénieurs de l'Université Rice ont rassemblé ce qui, selon eux, pourrait transformer la catalyse chimique en augmentant considérablement le nombre d'atomes uniques de métaux de transition pouvant être placés dans un porteur de carbone.

La technique utilise des points quantiques de graphène (GQD), Particules de 3 à 5 nanomètres du matériau de carbone 2D ultra-résistant, comme supports d'ancrage. Ceux-ci facilitent les atomes simples de métaux de transition à haute densité avec suffisamment d'espace entre les atomes pour éviter l'agglutination.

Une équipe internationale dirigée par l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Haotian Wang de la Brown School of Engineering de Rice et Yongfeng Hu de Canadian Light Source à l'Université de la Saskatchewan, Canada, détaillé le travail dans Chimie de la Nature.

Ils ont prouvé la valeur de leur synthèse générale de haute charge métallique, catalyseurs à un seul atome en fabriquant un catalyseur au nickel amélioré par GQD qui, dans un test de réaction, a montré une amélioration significative de la réduction électrochimique du dioxyde de carbone par rapport à un catalyseur à plus faible charge de nickel.

Wang a déclaré que les métaux nobles coûteux comme le platine et l'iridium sont largement étudiés par la communauté des catalyseurs à atome unique dans le but de réduire la masse nécessaire aux réactions catalytiques. Mais les métaux sont difficiles à manipuler et constituent généralement une petite partie, 5 à 10 % en poids ou moins, du catalyseur global, y compris les matériaux de support.

Par contre, le laboratoire Wang a obtenu des charges de métaux de transition dans un catalyseur à un seul atome d'iridium allant jusqu'à 40 % en poids, ou 3 à 4 atomes de métal uniques espacés pour cent atomes de carbone du substrat. (C'est parce que l'iridium est beaucoup plus lourd que le carbone.)

"Ce travail est axé sur une question fondamentale mais très intéressante que nous nous posons toujours :combien d'atomes individuels de plus pouvons-nous charger sur un support de carbone et ne pas aboutir à une agrégation ?" dit Wang, dont le laboratoire se concentre sur la catalyse écoénergétique de produits chimiques précieux.

« Lorsque vous réduisez la taille des matériaux en vrac en nanomatériaux, la surface augmente et l'activité catalytique s'améliore, " dit-il. " Ces dernières années, les gens ont commencé à travailler sur la réduction des catalyseurs à des atomes uniques pour présenter une meilleure activité et une meilleure sélectivité. Plus vous atteignez une charge élevée, les meilleures performances que vous pourriez obtenir."

"Les atomes simples présentent la surface maximale pour la catalyse, et leurs propriétés physiques et électroniques sont très différentes par rapport aux systèmes massifs ou nanométriques, " dit-il. " Dans cette étude, nous voulions repousser la limite du nombre d'atomes que nous pouvons charger sur un substrat de carbone."

Il a noté que la synthèse de catalyseurs à un seul atome doit désormais être un processus « top-down » ou « bottom-up ». La première nécessite de faire des vacances dans des feuilles de carbone ou des nanotubes pour les atomes métalliques, mais parce que les vacances sont souvent trop grandes ou pas uniformes, les métaux peuvent encore s'agréger. La seconde consiste à recuire le métal et d'autres précurseurs organiques pour les "carboniser", mais les métaux ont toujours tendance à se regrouper.

Le nouveau processus adopte une approche intermédiaire en synthétisant des GQD fonctionnalisés avec des lieurs aminés, puis en les pyrolysant avec les atomes métalliques. Les amines se réticulent avec les ions métalliques et les maintiennent étalés, maximiser leur disponibilité pour catalyser les réactions.

"Le maximum semble être d'environ 3-4 pour cent atomique en utilisant cette approche, ", a déclaré Wang. "Les défis futurs incluent comment augmenter davantage la densité des atomes uniques, assurer une stabilité élevée pour les applications réelles et étendre leurs processus de synthèse."