Des nanoparticules de fer (vertes) se déposent sur des supports solides d'oxyde de fer (rose), créer un catalyseur plus efficace pour la conversion du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone. Crédits :Yifeng Zhu, PNNL
Comme chaque véhicule de casse le montre amplement, le fer a tendance à rouiller en oxyde de fer. Mais cette même réactivité fait aussi du fer et de ses composés des outils utiles pour réinventer les transformations chimiques.
Une abondance d'oxyde de fer exploitée pour aider les métaux à convertir le dioxyde de carbone en produits utiles réduirait simultanément les émissions et ajouterait de la valeur aux flux de déchets.
Méthodes actuelles de préparation de catalyseurs à oxyde métallique, les chevaux de bataille des transformations chimiques, nécessitent des températures et des pressions élevées. C'est pourquoi les chimistes du PNNL sont encouragés par les résultats de leur nouvelle étude publiée dans la revue Communication Nature .
La recherche décrit une nouvelle technique qui produit des nanoparticules métalliques recouvertes d'oxyde de fer supportées sur de l'oxyde de fer solide, en une seule étape, à température proche de la pièce. Ces matériaux présentent une activité élevée pour la conversion du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, l'un des composants d'un carburant important et d'une source chimique appelée gaz de synthèse.
Les catalyseurs inverses comme approche de nouvelle génération de la conversion d'énergie
La nouvelle technique bouleverse l'approche traditionnelle de la conversion chimique. Alors que la plupart des catalyseurs industriels n'utilisent l'oxyde que comme structure de support, ces catalyseurs à base de nanoparticules à base d'oxyde de fer sont inversés ou "inverses". En plus de fournir le soutien, le fer réactif est libéré de la surface lors de la synthèse et se dépose sur le solide, former un revêtement sur les nanoparticules métalliques.
Les catalyseurs inverses ne sont pas utilisés commercialement car ils sont généralement difficiles à fabriquer et à produire en grandes quantités. Si les obstacles techniques pouvaient être surmontés, ce qui a été montré possible dans cette étude, les catalyseurs inverses seraient d'excellents outils pour convertir les déchets de dioxyde de carbone en matières premières chimiques, les matières premières utilisées dans de nombreux autres procédés industriels.
"Nos résultats fournissent la preuve que ces catalyseurs inverses ont une réactivité catalytique convaincante dans des conditions de réaction douces en raison du revêtement d'oxyde de fer, " a déclaré Oliver Gutiérrez, un chimiste du PNNL qui a aidé à diriger le projet de recherche. « La technique est polyvalente et facilement évolutive.
"Nous voulons valoriser le dioxyde de carbone pour éviter de le rejeter dans l'atmosphère, " il a ajouté. " Si à l'échelle de l'industrie, cela pourrait s'appliquer à toute entreprise avec des déchets de dioxyde de carbone."
Le chimiste du PNNL Oliver Gutiérrez. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Des nanoparticules décorent la surface du nouveau catalyseur
La nouvelle méthode de préparation tire parti de la réactivité inhérente de l'oxyde de fer pour conférer de nouvelles propriétés importantes aux nanoparticules métalliques sur le support d'oxyde métallique.
"Nous avons observé le cycle des ions fer à partir de l'oxyde de fer du support, à la solution aqueuse, de revenir au solide à la surface des nanoparticules lors de notre synthèse, " dit Gutiérrez. " C'est nouveau. Le revêtement d'oxyde de fer est hautement réactif avec la surface métallique, augmentant considérablement la surface disponible pour la réaction catalytique."
La chimie du fer imite ce que l'on voit sur Terre
La découverte éclaire également les processus naturels qui cyclent le fer, le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre, heures supplémentaires.
"L'interface fer minéral-eau est importante dans la science du sous-sol, " a déclaré Kevin Rosso, géochimiste et Lab Fellow au PNNL, qui a également contribué aux travaux. "Les deux principaux états d'oxydation du fer se combinent pour former une interface dynamique, et cela joue un grand rôle dans les deux paramètres. Ce que nous avons découvert ici dans le cadre de la catalyse peut également nous aider à comprendre le transport géochimique des métaux dans le sous-sol."
Potentiel de gaz de synthèse
Une fois le catalyseur préparé, les scientifiques ont mené des expériences qui ont montré que le catalyseur inverse pouvait convertir efficacement le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, un composant du gaz de synthèse, une matière première polyvalente pour l'industrie chimique.
"Avec le revêtement d'oxyde, nous avons fait en sorte que toute la surface de la nanoparticule à base de fer se comporte comme une interface, " a déclaré Gutiérrez. " Cela a permis à notre système d'obtenir une amélioration d'un ordre de grandeur dans la conversion chimique sélective en monoxyde de carbone par rapport aux catalyseurs à nanoparticules basés uniquement sur des métaux précieux. "
À présent, l'équipe cherche à adapter les nanoparticules métalliques à différentes réactions et à mieux comprendre la chimie à cette interface de réaction.
