Des chercheurs du Nanoscience Center (NSC) de l'Université de Jyväskylä, Finlande, et l'Université de Xiamen, Chine, ont découvert comment les particules de cuivre à l'échelle nanométrique agissent en modifiant une liaison carbone-oxygène lorsque les molécules de cétone se transforment en molécules d'alcool. La modification des liaisons carbone-oxygène et carbone-carbone trouvées dans les molécules organiques est une étape intermédiaire importante dans les réactions catalytiques dans lesquelles le matériau source est transformé en produits finaux précieux.

Comprendre le fonctionnement des catalyseurs au niveau de la structure atomique d'une seule particule permet de développer des catalyseurs avec les caractéristiques souhaitées, comme les rendre efficaces et sélectifs pour un produit final spécifique. L'étude a été publiée dans ACS Nano . En Finlande, l'étude a été dirigée par le professeur de l'Académie Hannu Häkkinen.

Les particules de cuivre catalytique utilisées dans l'étude ont été fabriquées et caractérisées structurellement à l'Université de Xiamen, et leur fonctionnement dans la modification d'une forte liaison carbone-oxygène dans une réaction d'hydrogénation a été étudié par les chercheurs du Nanoscience Center (NSC) de l'Université de Jyväskylä dans des simulations informatiques. La structure atomique précise des particules de cuivre a été déterminée par diffraction des rayons X et spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Les particules se sont avérées contenir 25 atomes de cuivre et dix hydrogènes, et il y avait 18 thiols protégeant la surface de la particule. Alors que les travaux expérimentaux à Xiamen ont révélé ses excellentes performances dans l'hydrogénation catalytique des cétones, les simulations ont prédit que les hydrogènes liés au noyau de cuivre de la particule agissent comme un stockage d'hydrogène, qui libère deux atomes d'hydrogène sur la liaison carbone-oxygène au cours d'une réaction. Le stockage d'hydrogène est rechargé après la réaction, lorsqu'une molécule d'hydrogène attachée à la particule de son environnement se divise en deux atomes d'hydrogène, qui sont à nouveau liés au noyau de cuivre (voir image). Les mesures RMN effectuées à Xiamen ont révélé un produit intermédiaire de la réaction, ce qui a confirmé les prédictions du modèle de calcul.

"C'est l'une des premières fois qu'il est possible de découvrir le fonctionnement d'une particule catalytique lorsque sa structure est connue aussi précisément, grâce à une coopération impliquant à la fois des expériences et des simulations, " déclare le professeur de l'Académie Hannu Häkkinen de l'Université de Jyväskylä, qui a dirigé la partie informatique de l'étude.

collaborateur de Häkkinen, Karoliina Honkala, professeur de catalyse computationnelle, dit, "Traditionnellement, des catalyseurs coûteux à base de platine sont utilisés dans les réactions d'hydrogénation. Cette étude prouve que les particules d'hydrure de cuivre à l'échelle nanométrique agissent également comme catalyseurs d'hydrogénation. Les résultats laissent espérer qu'à l'avenir, il sera possible de développer des catalyseurs à base de cuivre efficaces et peu coûteux pour transformer des molécules organiques fonctionnalisées en produits à plus forte valeur ajoutée."