Métaux et oxydes métalliques déposés sur les extrémités opposées d'un nanotube de carbone. un schéma représentant un métal (rouge) capable de dissocier l'hydrogène (jaune) sur un nanotube de carbone où l'hydrogène peut voyager jusqu'à un oxyde métallique (bleu). b Image MEB d'une forêt de nanotubes avec Pd et TiO2 déposés aux extrémités opposées par évaporation de métal et après traitement sous hydrogène pendant 1 h à 400 °C. (La barre d'échelle en b indique 15 micromètres). c–e Parties du haut, milieu et bas de la forêt, respectivement, à un grossissement accru. (La barre d'échelle indique de haut en bas 200, 500, et 250 nanomètres). f–h spectres EDS correspondant aux emplacements indiqués en c–e. Crédit: Communication Nature (2018). DOI :10.1038/s41467-018-06100-9
La recherche catalytique dirigée par Steven Crossley, chercheur à l'Université de l'Oklahoma, a mis au point une méthode nouvelle et plus définitive pour déterminer le site actif d'un catalyseur complexe. Les recherches de son équipe ont récemment été publiées dans Communication Nature .
Les catalyseurs constitués de particules métalliques supportées sur des oxydes réductibles présentent des performances prometteuses pour une variété de réactions industrielles actuelles et émergentes, comme la production de carburants renouvelables et de produits chimiques. Bien que les résultats bénéfiques des nouveaux matériaux soient évidents, identifier la cause de l'activité du catalyseur peut être difficile. Les catalyseurs sont souvent découverts et optimisés par essais et erreurs, rendant difficile le découplage des nombreuses possibilités. Cela peut conduire à des décisions fondées sur des preuves spéculatives ou indirectes.
"Lors de la pose du métal sur le support actif, l'activité catalytique et la sélectivité sont bien meilleures que ce à quoi vous vous attendriez que si vous combiniez les performances du métal avec le support seul, " a expliqué Crossley, un ingénieur chimiste, Teigen Presidential Professor et Sam A. Wilson Professor au sein du Gallogly College of Engineering. « Le défi est que, lorsque vous assemblez les deux composants, il est difficile de comprendre la cause des performances prometteuses. » Comprendre la nature du site actif catalytique est essentiel pour contrôler l'activité et la sélectivité d'un catalyseur.
La nouvelle méthode de Crossley pour séparer les sites actifs tout en maintenant la capacité du métal à créer des sites actifs potentiels sur le support utilise des nanotubes de carbone à croissance verticale qui agissent comme des « autoroutes de l'hydrogène ». Pour déterminer si l'activité catalytique provenait soit d'un contact direct entre le support et le métal, soit d'effets promoteurs induits par le métal sur le support d'oxyde, L'équipe de Crossley a séparé le palladium métallique du catalyseur d'oxyde de titane par une distance contrôlée sur un pont conducteur de nanotubes de carbone. Les chercheurs ont introduit de l'hydrogène dans le système et vérifié que l'hydrogène était capable de migrer le long des nanotubes pour créer de nouveaux sites actifs potentiels sur le support d'oxyde. Ils ont ensuite testé l'activité catalytique de ces matériaux et l'ont comparée à l'activité des mêmes matériaux lorsque le métal et le support étaient en contact physique direct.
« Dans trois expériences, nous avons pu écarter différents scénarios et prouver qu'il est nécessaire d'avoir un contact physique entre le palladium et le titane pour produire du méthyl furane dans ces conditions, " a déclaré Crossley.
Les autoroutes de l'hydrogène en nanotubes de carbone peuvent être utilisées avec une variété de catalyseurs bifonctionnels différents.
"En utilisant cette méthode simple et directe, on comprend mieux le fonctionnement de ces matériaux complexes, et utiliser ces informations pour fabriquer de meilleurs catalyseurs, " a déclaré Crossley.
