Une équipe de chercheurs en énergie dirigée par l'Université du Minnesota Twin Cities a inventé un dispositif qui convertit électroniquement un métal afin qu'il se comporte comme un autre pour être utilisé comme catalyseur dans des réactions chimiques. Le dispositif, appelé « condenseur catalytique », est le premier à démontrer que des matériaux alternatifs qui sont modifiés électroniquement pour fournir de nouvelles propriétés peuvent produire un traitement chimique plus rapide et plus efficace.

L'invention ouvre la porte à de nouvelles technologies catalytiques utilisant des catalyseurs en métaux non précieux pour des applications importantes telles que le stockage d'énergie renouvelable, la fabrication de carburants renouvelables et la fabrication de matériaux durables.

La recherche est publiée en ligne dans JACS Au , où il a été sélectionné comme publication Editor's Choice. L'équipe travaille également avec l'Office of Technology Commercialization de l'Université du Minnesota et détient un brevet provisoire sur l'appareil.

Au cours du siècle dernier, la transformation chimique s'est appuyée sur l'utilisation de matériaux spécifiques pour promouvoir la fabrication de produits chimiques et de matériaux que nous utilisons dans notre vie quotidienne. Bon nombre de ces matériaux, tels que les métaux précieux ruthénium, platine, rhodium et palladium, ont des propriétés de surface électroniques uniques. Ils peuvent agir à la fois comme des métaux et des oxydes métalliques, ce qui les rend essentiels pour contrôler les réactions chimiques.

Le grand public est probablement plus familier avec ce concept en relation avec la recrudescence des vols de pots catalytiques sur les voitures. Les convertisseurs catalytiques sont précieux en raison du rhodium et du palladium qu'ils contiennent. En fait, le palladium peut être plus cher que l'or.

Ces matériaux coûteux sont souvent rares dans le monde et sont devenus un obstacle majeur au progrès technologique.

Afin de développer cette méthode d'ajustement des propriétés catalytiques de matériaux alternatifs, les chercheurs se sont appuyés sur leur connaissance du comportement des électrons sur les surfaces. L'équipe a testé avec succès une théorie selon laquelle l'ajout et la suppression d'électrons à un matériau pourraient transformer l'oxyde métallique en quelque chose qui imitait les propriétés d'un autre.

"Les atomes ne veulent vraiment pas changer leur nombre d'électrons, mais nous avons inventé le dispositif de condensateur catalytique qui nous permet d'ajuster le nombre d'électrons à la surface du catalyseur", a déclaré Paul Dauenhauer, un MacArthur Fellow et professeur de génie chimique et science des matériaux à l'Université du Minnesota qui a dirigé l'équipe de recherche. "Cela ouvre une toute nouvelle opportunité pour contrôler la chimie et faire en sorte que des matériaux abondants agissent comme des matériaux précieux."

Le dispositif condenseur catalytique utilise une combinaison de films nanométriques pour déplacer et stabiliser les électrons à la surface du catalyseur. Cette conception a le mécanisme unique de combiner des métaux et des oxydes métalliques avec du graphène pour permettre un flux d'électrons rapide avec des surfaces qui sont accordables pour la chimie.

"En utilisant diverses technologies de couches minces, nous avons combiné un film d'alumine à l'échelle nanométrique fabriqué à partir d'aluminium métallique abondant à faible coût avec du graphène, que nous avons ensuite pu ajuster pour prendre les propriétés d'autres matériaux", a déclaré Tzia Ming Onn, un chercheur post-doctoral à l'Université du Minnesota qui a fabriqué et testé les condenseurs catalytiques. "La capacité substantielle d'ajuster les propriétés catalytiques et électroniques du catalyseur a dépassé nos attentes."

La conception du condenseur catalytique a une large utilité en tant que dispositif de plate-forme pour une gamme d'applications de fabrication. Cette polyvalence vient de sa fabrication nanométrique qui incorpore du graphène en tant que composant habilitant de la couche de surface active. La puissance du dispositif à stabiliser les électrons (ou l'absence d'électrons appelés "trous") est accordable avec la composition variable d'une couche interne fortement isolante. La couche active de l'appareil peut également incorporer n'importe quel matériau catalyseur de base avec des additifs supplémentaires, qui peuvent ensuite être ajustés pour obtenir les propriétés des matériaux catalytiques coûteux.

"Nous considérons le condenseur catalytique comme une technologie de plate-forme qui peut être mise en œuvre dans une multitude d'applications de fabrication", a déclaré Dan Frisbie, professeur et directeur du département de génie chimique et des sciences des matériaux de l'Université du Minnesota et membre de l'équipe de recherche. "Les idées de conception de base et les nouveaux composants peuvent être modifiés pour presque toutes les chimies que nous pouvons imaginer."

L'équipe prévoit de poursuivre ses recherches sur les condenseurs catalytiques en les appliquant aux métaux précieux pour certains des problèmes de durabilité et d'environnement les plus importants. Plusieurs projets parallèles sont déjà en cours pour stocker l'électricité renouvelable sous forme d'ammoniac, fabriquer les molécules clés des plastiques renouvelables et nettoyer les flux de déchets gazeux. + Explorer plus loin

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