Au cours des 20 dernières années, des efforts ont été déployés pour réduire l'utilisation de combustibles fossiles dans la fabrication de plastiques et, selon des chercheurs de Penn State, des réactions catalytiques efficaces et personnalisables - où deux métaux sont combinés à l'aide d'un catalyseur ou d'une molécule qui reste inchangée pendant une réaction. — sont une alternative intéressante.

Les chercheurs ont trouvé un moyen de rendre les réactions catalytiques moins inutiles et plus rentables en contrôlant le placement de chaque atome sur la surface du catalyseur. Le contrôle ou la personnalisation des catalyseurs réduit les réactions concurrentes inutiles et isole une réaction réussie et prévisible. Ces résultats ont été publiés dans Nature Chemistry .

"En isolant un métal actif dans un hôte inerte et en contrôlant avec précision le rapport exact des métaux, nous pouvons obtenir un schéma ciblé des deux atomes métalliques", a déclaré Michael Janik, professeur de génie chimique à Penn State et co-chercheur principal pour l'étude.

Les chercheurs ont utilisé du palladium, qui a servi de composant catalyseur actif, et du zinc, l'hôte inerte, pour former un intermétallique, un composé avec deux ou plusieurs types d'atomes métalliques disposés selon un motif répétitif.

Les chercheurs, dirigés par Janik et le co-chercheur principal Robert Rioux, professeur de génie chimique Penn State Friedrich G. Helfferich, ont testé différentes quantités de zinc et de palladium et ont découvert que différents rapports zinc/palladium avaient une réactivité catalytique très différente.

Les chercheurs ont ajusté le rapport du palladium au zinc pour former des surfaces qui ne contenaient que des monomères et trimères de palladium isolés, ou des grappes de trois atomes adjacents. Ils ont démontré que les monomères et les trimères de palladium pouvaient hydrogéner - ou ajouter de l'hydrogène gazeux - à l'acétylène, et ainsi créer de l'éthylène, un gaz nécessaire au traitement des plastiques.

Mais dans le processus, les trimères de palladium ont également catalysé une réaction d'hydrogénation de l'éthylène, une conséquence indésirable, qui a exclu l'utilisation de trimères. Cependant, les monomères de palladium isolés entourés d'atomes de zinc constituaient une configuration efficace pour hydrogéner sélectivement l'acétylène.

Grâce à leur travail sur cet article, Janik, Rioux et leurs collaborateurs ont reçu une subvention de 1,2 million de dollars en 2019 du département américain de l'énergie dans le but d'étendre la science à de nouvelles applications.

"Nous utiliserons la modélisation informatique et l'apprentissage automatique pour prédire les conceptions d'autres intermétalliques qui organiseront un certain nombre d'atomes métalliques dans des configurations uniques", a déclaré Janik. "Nous essayons maintenant de trouver d'autres combinaisons de deux métaux qui nous permettent de contrôler l'arrangement des deux atomes métalliques."

Janik, Rioux et leurs collaborateurs de Penn State et de l'Université Carnegie Mellon utilisent désormais des approches de science des données pour découvrir d'autres catalyseurs intermétalliques avec des sites de réaction précis et accordables. En collaboration avec Zachary Ulissi, professeur agrégé de génie chimique à la CMU, ils ont codé une application Web accessible au public, connue sous le nom de Nuclearity Zoo, qui calcule l'arrangement et la forme de toute combinaison de métaux actifs et inactifs et répertorie tous leurs arrangements atomiques potentiels. L'application utilise des approches de théorie des graphes pour catégoriser les formes et tailles de sites actifs.

"Par exemple, il existe 237 façons de combiner le palladium avec du zinc pour obtenir une paire d'atomes de palladium isolés", a déclaré Janik, se référant aux résultats de l'application Web lors de la saisie des deux métaux. "Ensuite, vous pouvez télécharger la structure des atomes pour chacun des arrangements."

Le groupe de recherche utilise maintenant les approches d'application et de science des données pour prédire par calcul les catalyseurs actifs et sélectifs pour un certain nombre de réactions importantes sur le plan industriel. + Explorer plus loin

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