La catalyse est l'une des technologies clés de l'industrie chimique et a un impact considérable sur divers aspects de notre vie quotidienne, notamment la fabrication de plastiques, la synthèse de médicaments et la production d'engrais et de carburants. On estime que plus de 90 % des produits chimiques sont aujourd’hui fabriqués avec catalyse dans au moins une étape. La catalyse est un processus complexe qui repose sur le contrôle structurel précis de plusieurs éléments à la croisée des (in-)stabilités de phase.
Alors que des catalyseurs stables à long terme sont indispensables pour favoriser des réactions performantes et efficaces, les réactifs subissent des modifications chimiques majeures, conduisant à la formation des produits finaux souhaités. Dans la catalyse hétérogène, le catalyseur et les réactifs existent dans différentes phases.
Parmi les différents procédés catalytiques hétérogènes, le reformage à sec du méthane (DRM) a récemment fait l'objet d'une attention académique, car il convertit deux gaz à effet de serre, le méthane (CH4 ) et le dioxyde de carbone (CO2 ), en hydrogène (H2 ) et du monoxyde de carbone (CO). Ce mélange est également connu sous le nom de gaz de synthèse et peut être utilisé pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles en accumulant consécutivement des hydrocarbures plus gros via la chimie Fischer-Tropsch.
Bien que les catalyseurs à base de nickel et de cobalt, peu coûteux et hautement disponibles sur Terre, aient montré une activité prometteuse pour la DRM, la conception de catalyseurs hautes performances est souvent un défi, car le lien entre la dynamique chimique, la formation des espèces actives de surface et leur les voies de réaction sont généralement absentes. Cette connaissance ne peut être acquise qu'à partir d'expériences dites operando dans lesquelles la structure et la fonction sont sondées simultanément.
Un effort collaboratif de scientifiques des départements de chimie inorganique et de théorie de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck à Berlin a fourni des informations fondamentales sur les processus se produisant à la surface du catalyseur et sur la manière dont ceux-ci modulent les performances catalytiques lors du DRM.
L'étude est publiée dans la revue Nature Catalysis .
En particulier, l'équipe a étudié le rôle de différentes espèces d'oxygène sur un catalyseur au nickel pendant la DRM en utilisant une combinaison de techniques scientifiques expérimentales et informatiques, notamment la microscopie électronique à balayage operando, la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression proche de la pression ambiante et la vision par ordinateur. P>
Ils ont souligné le rôle critique du CO2 dissociatif adsorption dans la régulation de la teneur en oxygène du catalyseur et du CH4 Activation. De plus, ils ont découvert la présence de trois espèces d'oxygène métastables au niveau du catalyseur :l'oxygène atomique de surface, l'oxygène souterrain et le NiOx en vrac. . Il est intéressant de noter que ceux-ci présentaient des propriétés catalytiques différentes, et que leur interaction et leur transformation donnaient lieu à des oscillations dans les états de surface et dans la fonction catalytique.
Ils ont observé qu'une partie de l'oxygène de surface s'est infiltrée dans la masse du catalyseur, réduisant ainsi la disponibilité du catalyseur pour le CH4. activation et favorisant le CO2 et O diffusion à la place.
L'étendue de la fuite a en outre été prouvée par spectroscopie à rayons X et par microscopie électronique à transmission, révélant la présence d'oxygène à plusieurs nanomètres sous la surface des catalyseurs. Par conséquent, de nouveaux sites métalliques ont été exposés, entraînant ainsi une augmentation du taux d'absorption d'oxygène et une diminution du H2 Rapport produit /CO.
Enfin, ils ont compris que la co-alimentation en CO2 est indispensable pour CH4 conversion, contribuant probablement à son activation ainsi qu'à la présence d'espèces oxygénées.
"C'était impressionnant de voir comment la métastabilité du système Ni-O ajuste automatiquement les performances catalytiques et qu'un élément des réactifs peut diriger l'ensemble du processus, qui dépend de son emplacement et de sa chimie. Nous espérons que nos résultats pourront donner nouvel élan dans l'ajustement de la longévité et de la sélectivité en catalyse", déclare le Dr Thomas Lunkenbein, responsable du projet et co-auteur de l'étude.
Comprendre la métastabilité des surfaces des catalyseurs, ainsi que la manière de les contrôler pour stabiliser l'état actif dynamique, a des implications importantes pour l'avenir de la catalyse. En particulier, il fournit des informations qui peuvent être transférées au niveau industriel et à la conception de réacteurs où un état actif avec des compromis énergétiques minimaux est favorisé.
Ceci pourrait être réalisé soit en utilisant des oxydants plus puissants, tels que l'eau (H2 O) et l'oxyde nitreux (N2 O), soit en travaillant à réduire les fuites d’oxygène dans le massif grâce à la technologie des nanoparticules ou des couches minces. Le développement de catalyseurs basés sur des couches minces sur mesure est au centre de CatLab, une plateforme de recherche commune entre le FHI et le Centre Helmholtz de Berlin (HZB).
Plus d'informations : Luis Sandoval-Diaz et al, Les espèces métastables nickel-oxygène modulent les oscillations de taux lors du reformage à sec du méthane, Nature Catalysis (2024). DOI :10.1038/s41929-023-01090-4
Informations sur le journal : Catalyse naturelle
Fourni par la Société Max Planck
