De combien de nanomètres les nanoparticules de catalyseur doivent-elles être pour optimiser le déroulement de la réaction ? Les chercheurs recherchent généralement la réponse par des moyens laborieux, tests répétitifs. A l'Institut de Chimie Physique de l'Académie Polonaise des Sciences à Varsovie, une technique qualitativement nouvelle a été développée pour améliorer le processus d'une telle optimisation dans les systèmes microfluidiques. La taille des nanoparticules de catalyseur peut maintenant être modifiée de manière interactive, pendant un écoulement continu à travers le lit de catalyseur.

Les performances des catalyseurs porteurs de métaux dépendent souvent de la taille des nanoparticules métalliques. D'habitude, leur taille est déterminée sur plusieurs consécutifs, essais laborieux. La méthode inflexible - une fois que les réactions ont commencé, rien ne peut être fait avec le catalyseur. À l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) à Varsovie, le groupe du Dr. Jacinto Sa a développé une nouvelle technique pour optimiser les réactions chimiques lors du flux microfluidique continu à travers le lit catalytique, et donc littéralement "à la volée". Ceci a été réalisé grâce à un contrôle interactif de la taille des nanoparticules de catalyseur. De par sa simplicité et son efficacité, cette technique innovante devrait prochainement être utilisée dans la recherche de nouveaux catalyseurs pour les industries pharmaceutiques et de la parfumerie, entre autres.

« La catalyse en flux devient de plus en plus populaire car elle conduit à l'intensification de processus importants pour l'industrie. Notre technique est la prochaine étape dans cette direction :nous réduisons le temps nécessaire pour déterminer la taille des nanoparticules de catalyseur. Cela signifie que nous pouvons plus optimiser rapidement les réactions chimiques et même modifier leur cours de manière interactive. Un argument important ici est également le fait que l'ensemble du processus est effectué dans un petit appareil, ainsi nous réduisons les coûts d'équipements supplémentaires, " dit le Dr Sa.

Les scientifiques de l'IPC PAS ont démontré leur réussite avec un système basé sur un microréacteur à flux disponible dans le commerce équipé d'une cartouche remplaçable avec un catalyseur métallique conçu de manière appropriée. Par électrolyse de l'eau, le microréacteur sélectionné pourrait fournir de l'hydrogène, nécessaire à l'hydrogénation des composés chimiques dans le liquide en écoulement, au lit de catalyseur. Le milieu réactionnel était une solution de citral, un composé organique d'aldéhyde avec un parfum de citron.

L'expérience a utilisé le catalyseur au nickel NiTSNH 2 sous forme d'une fine poudre noire, qui a été précédemment développé à l'IPC PAS. Il est constitué de grains de résine polymère recouverts de nanoparticules de nickel. La taille des grains est d'env. 130 micromètres et les nanoparticules du catalyseur font initialement trois à quatre nanomètres.

« Au cœur de notre réalisation est de montrer comment modifier la morphologie des nanoparticules de catalyseur dans une séquence avec une réaction chimique. Après chaque changement de la taille des nanoparticules, nous obtenons une information immédiate sur l'effet de cette modification sur l'activité du catalyseur. Par conséquent, il est facile d'évaluer quelles nanoparticules sont optimales pour une réaction chimique donnée, " explique le doctorant Damian Gizinski (IPC PAS).

Dans le système décrit dans le journal ChemCatChem , les chercheurs ont augmenté la taille des nanoparticules de catalyseur à cinq, neuf et 12 nm de manière contrôlée. L'effet de croissance a été obtenu en balayant le lit de catalyseur avec une solution d'alcool contenant des ions nickel. Dans le lit, elles se sont déposées sur les nanoparticules existantes et réduites sous l'influence de l'hydrogène. La taille finale des nanoparticules dépend ici du temps d'exposition à la solution avec Ni ²⁺ ions.

Dans la réaction avec le citral, les meilleures performances catalytiques ont été atteintes avec des nanoparticules de 9 nm. Les chercheurs ont également observé que jusqu'à 9 nm, la croissance des nanoparticules a favorisé la redirection de la réaction vers la production de citronellal, alors qu'au-dessus de cette valeur, la voie vers le citronellol était préférée (les différences résultaient du fait que des nanoparticules plus petites favorisaient l'hydrogénation sélective de la liaison insaturée C=C, tandis que les plus grands activaient à la fois la liaison C=C et la liaison carbonyle C=O). Ces deux composés ont des propriétés légèrement différentes :le citronellal est utilisé pour repousser les insectes, surtout les moustiques, et en tant qu'agent antifongique; le citronellol repousse non seulement les insectes mais attire également les acariens, il est également utilisé pour produire des parfums.

Pour les applications potentielles de la nouvelle technique, il est important qu'après la modification, les catalyseurs étaient stables au moins cinq heures dans un flux continu de la solution réactionnelle, tant au niveau de son activité que de sa sélectivité.