(PhysOrg.com) -- Des chimistes de l'Université de l'Utah ont démontré le premier lien concluant entre la taille des particules de catalyseur sur une surface solide, leurs propriétés électroniques et leur capacité à accélérer les réactions chimiques. L'étude est un pas vers l'objectif de concevoir moins cher, des catalyseurs plus efficaces pour augmenter la production d'énergie, réduire les gaz à effet de serre et fabriquer une grande variété de produits allant des médicaments à l'essence.

Les catalyseurs sont des substances qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées par la réaction. Ils sont utilisés pour fabriquer la plupart des produits chimiques et de nombreux produits industriels. L'économie mondiale en dépend.

"L'une des grandes incertitudes de la catalyse est que personne ne comprend vraiment la taille des particules du catalyseur qui provoquent réellement une réaction chimique, " dit Scott Anderson, un professeur de chimie de l'Université de l'Utah et auteur principal de l'étude du vendredi, Numéro du 6 novembre de la revue Science . « Si nous pouvions comprendre quels facteurs contrôlent l'activité des catalyseurs, alors nous pourrions fabriquer des catalyseurs meilleurs et moins chers.

« La plupart des catalyseurs sont des métaux nobles coûteux comme l'or, le palladium ou le platine, " il ajoute. "Dites dans un catalyseur d'or, la plupart du métal est sous forme de grosses particules, mais ces grosses particules sont inactives et seules les nanoparticules d'environ 10 atomes sont actives. Cela signifie que plus de 90 pour cent de l'or dans le catalyseur ne fait rien. Si vous pouviez fabriquer un catalyseur avec uniquement des particules de la bonne taille, vous pourriez économiser 90 pour cent du coût ou plus.

En outre, « Il y a un grand intérêt à apprendre à fabriquer des catalyseurs à partir de métaux de base beaucoup moins chers comme le cuivre, nickel et zinc, ", dit Anderson. "Et la façon dont vous allez le faire est de "régler" leurs propriétés chimiques, ce qui signifie régler les propriétés électroniques parce que les électrons contrôlent la chimie.

L'idée est de "prendre un métal qui n'est pas catalytiquement actif et, lorsque vous le réduisez à la taille appropriée [particules], il peut devenir catalytique, ", dit Anderson. "C'est l'objectif de notre travail - essayer d'identifier et de comprendre quelles tailles de particules métalliques sont actives en tant que catalyseurs et pourquoi elles sont actives en tant que catalyseurs."

Dans la nouvelle étude, Anderson et ses étudiants ont fait un pas vers le « réglage » des catalyseurs pour qu'ils aient les propriétés souhaitées en démontrant, pour la première fois, que la taille des « nanoparticules » de catalyseur métallique déposées sur une surface affecte non seulement le niveau d'activité du catalyseur, mais les propriétés électroniques des particules.

Anderson a mené l'étude avec les doctorants en chimie Bill Kaden et William Kunkel, et avec l'ancien doctorant Tianpin Wu. Kaden était le premier auteur.

« Les catalyseurs sont une partie énorme de l'économie, ", dit Anderson. « Les catalyseurs sont utilisés pour pratiquement tous les processus industriels, de la fabrication d'essence et de polymères à la dépollution et aux propulseurs de fusée.

Les catalyseurs sont utilisés dans 90 % des processus de fabrication de produits chimiques aux États-Unis et pour fabriquer plus de 20 % de tous les produits industriels, et ces processus consomment de grandes quantités d'énergie, selon le Département américain de l'énergie (DOE).

En outre, l'industrie produit 21 pour cent des émissions de dioxyde de carbone des États-Unis - dont 3 pour cent par l'industrie chimique, DOE dit.

Ainsi, l'amélioration de l'efficacité des catalyseurs est « la clé à la fois des économies d'énergie et des réductions des émissions de dioxyde de carbone, », précise l'agence.

Les catalyseurs sont également utilisés dans la fabrication de médicaments; préparation des aliments; réservoirs de carburant; production d'engrais; conversion de gaz naturel, du charbon ou de la biomasse en combustibles liquides ; et des systèmes pour réduire les polluants et améliorer l'efficacité de la combustion dans la production d'énergie.

La North American Catalysis Society affirme que les catalyseurs contribuent à 35 % ou plus du produit intérieur brut mondial. « La plus grande partie de cette contribution provient de la production de carburants à haute énergie (essence, diesel, hydrogène), qui dépendent de manière critique de l'utilisation de petites quantités de catalyseurs dans … les raffineries de pétrole, », dit le groupe.

« Le développement de catalyseurs bon marché … est essentiel pour la capture d'énergie, transformation et stockage, " dit Henry White, professeur et titulaire de la chaire de chimie à l'Université de l'Utah. «Cette recherche est vitale pour la sécurité énergétique de la nation.»

Recherche sur les catalyseurs :ce que les études précédentes et la nouvelle étude ont montré

De nombreux catalyseurs importants - tels que ceux des convertisseurs catalytiques qui réduisent les émissions des véhicules à moteur - sont constitués de particules métalliques dont la taille varie du micron au nanomètre.

Lorsque la taille d'une particule de métal catalyseur est réduite à l'échelle nanométrique, ses propriétés restent initialement les mêmes qu'une particule plus grosse, dit Anderson. Mais lorsque la taille est inférieure à environ 10 nanomètres - contenant environ 10, 000 atomes de catalyseur - les mouvements des électrons dans le métal sont confinés, ainsi leurs énergies inhérentes sont augmentées.

Lorsqu'il y a moins d'environ 100 atomes dans les particules de catalyseur, les variations de taille se traduisent également par des fluctuations de la structure électronique des atomes du catalyseur. Ces fluctuations affectent fortement la capacité des particules à agir comme catalyseur, dit Anderson.

Des expériences antérieures ont montré que les propriétés électroniques et chimiques d'un catalyseur sont affectées par la taille des particules de catalyseur flottant dans un gaz. Mais ces particules de catalyseur isolées sont assez différentes des catalyseurs montés sur une surface d'oxyde métallique - la façon dont le métal catalyseur est supporté dans de vrais catalyseurs industriels.

Les expériences passées avec des catalyseurs montés sur une surface comprenaient souvent une grande variété de tailles de particules. Ces expériences n'ont donc pas réussi à détecter comment l'activité chimique et les propriétés électroniques du catalyseur varient en fonction de la taille des particules individuelles.

Anderson a été le premier chimiste américain à trier les particules de catalyseur métallique par taille et à démontrer comment leur réactivité change avec la taille. Dans des travaux antérieurs, il a étudié des particules de catalyseur d'or déposées sur du dioxyde de titane.

La nouvelle étude a utilisé des particules de palladium de tailles spécifiques qui ont été déposées sur du dioxyde de titane et utilisées pour convertir le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone.

L'étude a non seulement montré comment l'activité catalytique varie avec la taille des particules de catalyseur, « mais nous avons pu corréler cette dépendance de la taille avec les différences électroniques observées dans les particules de catalyseur, », dit Kaden. "Les gens avaient spéculé que cela devrait se produire, mais personne ne l'a jamais vu.

Anderson dit que c'est la première démonstration d'une forte corrélation entre la taille et l'activité d'un catalyseur sur une surface métallique et les propriétés électroniques du catalyseur.

Comment l'étude a été menée

À l'aide d'un appareil élaboré dans le laboratoire d'Anderson, les chimistes ont dirigé un faisceau laser pour vaporiser le palladium, créant électriquement chargé, nanoparticules de palladium dans une vapeur transportée par un courant d'hélium gazeux.

Des champs électromagnétiques sont utilisés pour capturer les particules et les envoyer à travers un spectromètre de masse, qui sélectionne uniquement les tailles de particules de palladium qu'Anderson et ses collègues veulent étudier. Les particules désirées sont ensuite déposées sur un monocristal d'oxyde de titane qui mesure moins d'un demi-pouce de côté.

Prochain, les chimistes utilisent différentes méthodes pour caractériser l'échantillon de particules de catalyseur au palladium :en particulier les propriétés électroniques du catalyseur au palladium, forme physique et activité chimique.

Fourni par l'Université de l'Utah (actualité :web)