Pour convertir les hydrocarbures en carburant, l'industrie pétrochimique repose aujourd'hui principalement sur des catalyseurs hétérogènes, qui dans la plupart des cas contiennent des sites métalliques actifs avec des structures mal définies. Dans les années récentes, cependant, un domaine d'étude connu sous le nom de chimie organométallique de surface (SOMC) a permis la conception et le développement de beaucoup plus définis, les catalyseurs dits monosite, dans lequel les sites métalliques peuvent être adaptés pour répondre à des exigences spécifiques.

Christophe Copéret, professeur à l'ETH Zürich, a étudié le potentiel du SOMC pour synthétiser des carburants et des vecteurs énergétiques d'une manière qui était jusqu'à présent impossible à atteindre avec les techniques traditionnelles. Dans un article récent publié dans Énergie naturelle , il écrit que SOMC peut ouvrir de nouvelles voies pour la conversion des hydrocarbures, ainsi que comment il peut contribuer à la découverte d'importants processus d'homologation des alcanes et à la compréhension des catalyseurs hétérogènes.

"Je m'intéresse à la compréhension des systèmes complexes tels que les catalyseurs hétérogènes au niveau moléculaire, " Copéret a déclaré à TechXplore. " Vers cet objectif, notre laboratoire a développé une expertise pour générer des espèces de surface bien définies où les sites métalliques sont ancrés aux surfaces dans un premier temps par greffage."

Afin de créer des catalyseurs avec des structures de surface bien définies, les chercheurs doivent contrôler la densité et la nature des fonctionnalités de surface utilisées pour ancrer des précurseurs moléculaires sur mesure. Dans leurs recherches antérieures, Copéret et ses collègues ont montré que les sites de surface bien définis résultants, également appelés sites uniques, peut surpasser à la fois les catalyseurs homogènes et hétérogènes classiques.

Ces catalyseurs fonctionnent bien mieux que les catalyseurs de métathèse d'oxyde métallique supportés correspondants utilisés dans l'industrie pétrochimique depuis des années. Un problème avec ce dernier type de catalyseurs est le manque de compréhension des structures de sites actifs qui entrave les stratégies de développement rationnelles.

"Dans les années récentes, nous nous sommes intéressés à la compréhension des sites actifs de ces oxydes métalliques supportés utilisés dans l'industrie en explorant des méthodes pour générer des analogues de surface bien définis via notre méthodologie SOMC, à savoir via l'ancrage de précurseurs moléculaires sur les surfaces et la génération de sites métalliques isolés en éliminant les ligands organiques restants via des post-traitements simples, " a expliqué Copéret. " Notre objectif était de générer ces analogues bien définis afin de mener des études spectroscopiques détaillées dans le but ultime de dériver des relations structure-activité au niveau moléculaire et des principes directeurs pour développer ces catalyseurs hétérogènes. "

Essentiellement, SOMC fonctionne en contrôlant l'incorporation de sites métalliques par des approches de greffage, permettant à terme la génération de sites de surface bien définis. Cette approche moléculaire permet de construire des catalyseurs avec des sites actifs structurellement caractérisés, en contraste frappant avec les catalyseurs industriels, qui sont beaucoup plus complexes en raison de leurs méthodes de préparation dans l'eau, par exemple, par précipitation ou imprégnation d'un sel métallique.

Les techniques conventionnelles de fabrication de catalyseurs ont tendance à produire des mélanges complexes et des systèmes mal définis en raison de l'interaction complexe entre les sels métalliques, l'eau et le support qui implique de multiples événements de dissolution/précipitation. D'autre part, les catalyseurs issus des procédés SOMC ont tendance à être mieux définis, permettant aux chercheurs d'accéder à des informations structurelles sur leurs sites métalliques.

"La chimie de l'eau et des oxydes est bien plus compliquée qu'on pourrait le penser, " a dit Copéret. " En utilisant notre approche, nous simplifions simplement la chimie."

Dans son récent article, Copéret résume les atouts clés du SOMC, mettant en évidence son potentiel pour alimenter l'innovation en catalyse et dans l'industrie pétrochimique. Même s'il reste encore plusieurs défis à relever, il pense que le SOMC pourrait éventuellement aider à mieux comprendre les événements catalytiques au niveau moléculaire.

"Les catalyseurs préparés par SOMC fournissent un très beau modèle, où la spectroscopie fournit des informations pertinentes sur les espèces actives, étant donné que la plupart des sites de surface sont de nature similaire par conception, " a expliqué Copéret. " Il permet également d'accéder à la signature des espèces actives et de proposer des informations structurelles sur les sites actifs dans les catalyseurs industriels correspondants. "

Jusque là, Copéret et ses collaborateurs de l'ETH Zürich ont utilisé avec succès le SOMC pour comprendre les sites actifs de catalyseurs hétérogènes pour la métathèse et la polymérisation des oléfines, ainsi que pour la déshydrogénation du propane. La compréhension moléculaire dérivée de ces modèles pourrait finalement servir de principe directeur pour préparer des catalyseurs hétérogènes de manière plus rationnelle et a déjà été utilisée pour développer des procédés de métathèse à basse température.

Les chercheurs mènent actuellement d'autres études dans lesquelles ils prévoient d'utiliser les sites uniques développés à l'aide de SOMC pour contrôler les interfaces et la composition de systèmes beaucoup plus complexes, telles que les nanoparticules supportées, une classe encore plus large de catalyseurs hétérogènes. Dans ces systèmes, le(s) métal(x), le soutien, et les promoteurs jouent un rôle important, pourtant ils sont souvent mal compris au niveau moléculaire, ce qui rend les catalyseurs à base de nanoparticules supportées particulièrement difficiles à développer de manière rationnelle.

"Comme résumé dans un article que nous avons écrit plus tôt cette année et publié sur le Acc. Chem. Rés . journal, nous utilisons SOMC et les sites uniques dérivés pour préparer ces nanoparticules supportées dans le but de comprendre les effets de support et de promoteur et de dériver le principe directeur à base moléculaire, " a déclaré Copéret. "Nous utilisons également ces systèmes pour découvrir de nouvelles réactions en concevant des interfaces complexes vers la conception de processus en tandem."

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