Les catalyseurs à matrice solide appelés catalyseurs hétérogènes sont parmi les applications industrielles les plus répandues dans la réduction des gaz toxiques, carburant non brûlé, et des particules dans le flux d'échappement de la chambre de combustion. Ils sont également utilisés dans l'énergie, chimique, et les secteurs pharmaceutiques, c'est à dire., production de biodiesel, polymères, valorisation de la biomasse/des déchets en produits de valeur, et bien d'autres processus. Tout cela grâce à leurs sites actifs et leur grande surface. Néanmoins, leur haute efficacité est limitée par le prix astronomique des métaux nobles, Donc, des substituts rentables avec une efficacité comparable semblent être un Saint Graal pour l'industrie. Un article récent présenté par des scientifiques de l'Institut de chimie physique, Académie polonaise des sciences dirigée par dr. ing. Izabela S. Pieta fait face au défi de présenter un nouveau composite bimétallique nanostructural pour la catalyse.

C comme la catalyse

Les catalyseurs sont partout et ont un impact énorme sur les processus chimiques. Ils nous entourent même dans la nature; par exemple, les cellules ont besoin de catalyseurs naturels comme des enzymes pour de multiples processus biochimiques. Il en va de même dans le domaine de la conversion d'énergie, où les catalyseurs solides poursuivent des processus technologiques. Selon les moteurs à combustion, des métaux nobles comme le platine sont placés sur les fumées sortant de la chambre de combustion. Une fois que les gaz toxiques touchent la surface des catalyseurs, ils se décomposent, donnant les produits finaux CO 2 et H 2 O. Le secret réside dans les sites actifs sur le matériau qui influencent l'énergie d'adsorption des intermédiaires de réaction et l'activation des états de transition. Le mécanisme final de rupture de liaison conduit à la formation de molécules particulières. Il fait des métaux nobles des vedettes dans les applications industrielles.

Au cours des dernières décennies, l'application des catalyseurs a énormément augmenté, atteindre un point critique pour les coûts élevés des métaux précieux nécessaires au carburant, pharmaceutique, et la production de composés chimiques. Donc, la catalyse économique à haut rendement est devenue l'un des principaux défis pour les progrès futurs de nombreuses technologies industrielles. Avec certitude, il est presque impossible de fournir un seul matériau pour répondre à toutes les exigences industrielles. Nous pouvons sûrement améliorer beaucoup l'activité du catalyseur et même la durabilité par des modifications chimiques des surfaces actives pour le processus donné, alors que commençons par le début, la taille du catalyseur. Les nanomatériaux offrent un rapport surface-volume élevé qui augmente leur activité. Dans le cas des métaux nobles, le maintien de la taille nanométrique rend ces matériaux très actifs, fournissant une forte liaison aux réactifs et une sélectivité des catalyseurs.

Nouveaux catalyseurs à l'horizon

Récemment, scientifiques de l'Institut de chimie physique dirigé par le dr. Izabela S. Pieta a décrit des catalyseurs bimétalliques nanostructuraux immobilisés sur la surface semi-conductrice pour leur application potentielle en thermique, photo-, et électrocatalyse. Il a déjà été rapporté que ces systèmes donnaient des résultats extraordinaires dans les procédés dédiés aux piles à combustible, c'est à dire., électrooxydation du méthanol et de l'éthanol (I.S.Pieta et al. Catalyse appliquée B :Environnement , 2019, 244), produits chimiques verts durables, et la production de carburants (I.S.Pieta et al. Catalyse appliquée B :Environnement , 2019, 244, et ACS Chimie et Ingénierie Durables, 2020, 8(18), et même la réduction du dioxyde de carbone vers les carburants gazeux et liquides (I.S.Pieta et al. Matériaux avancés Interfaces, 2021, 2001822). Regardons-les de plus près.

Dans les nanostructures bimétalliques, deux métaux, par exemple., Pt-Au, sont joints, où le métal primaire joue le rôle d'hôte, et le second est un invité. En d'autres termes, c'est un alliage, à l'échelle nanométrique, la distribution d'atomes particuliers dans les particules a une signification énorme.

De façon intéressante, les structures bimétalliques produisent une activité catalytique plus élevée par rapport à leurs homologues monométalliques. Leur assemblage peut différer d'un mélange de deux métaux différents où le second est réparti assez régulièrement dans la matrice du premier ou d'une structure cœur-coquille où le premier métal est recouvert du second. Une autre option consiste à utiliser des nanostructures ayant deux moitiés chimiquement différentes (appelées nanoparticules de Janus) ou liant deux nanoparticules chimiquement différentes. Malheureusement, ces combinaisons de deux métaux différents peuvent subir des changements constants à si petite échelle en raison de la réorganisation atomique.

La composition et l'arrangement atomique des structures bimétalliques déterminent leurs performances catalytiques. Les nanomatériaux peuvent facilement s'agglomérer ou changer de structure de surface en raison de leur activité de surface élevée, diminuant leur efficacité de catalyse. De plus, leur surface peut être facilement empoisonnée par les demi-produits de réactions chimiques, il est donc difficile de prédire les changements qui se produisent sur les surfaces bimétalliques affectant l'activité des matériaux.

Alors pourquoi ne pas repartir du début et créer une plateforme qui stabiliserait ces nanostructures ? Une fois installé, les nanoparticules seraient moins sensibles aux changements de surface. Les chercheurs ont proposé de stabiliser les nanoparticules bimétalliques sur le matériau électriquement conducteur comme le carbone ou le nitrure de carbone. Puis, sa surface a été modifiée avec un matériau polymère à base de nitrure de carbone graphitique (g-C3N4) constitué de sous-unités de molécules de triazine fusionnées en triangles plats ressemblant à la feuille de graphène. La surface du système bimétallique a été étudiée à l'aide de plusieurs techniques spectroscopiques.

« Le développement et l'optimisation de nanocatalyseurs bimétalliques pourraient fournir une nouvelle classe de matériaux avec des propriétés supérieures, performances réglables, stabilité thermique, et des coûts réduits par rapport aux catalyseurs commerciaux actuellement disponibles. Nous prévoyons que grâce aux propriétés uniques du matériau de support, c'est à dire., nitrure de carbone graphitique, ces catalyseurs peuvent trouver une application potentielle en -thermique/-électro/ et -photocatalyse. Cependant, avant que cela n'arrive, il faut comprendre comment concevoir le système bimétallique efficace, comment ce système fonctionne dans les conditions d'exploitation, et pourquoi la relation forme-structure-activité est importante, " affirme Izabela S. Pieta.

Le g-C3N4 a une structure riche en hétéroatomes qui révèle des propriétés catalytiques. Grâce à la présence de plusieurs groupes fonctionnels, il peut facilement héberger à sa surface des systèmes bimétalliques comme le noble Pt-Au Pt-Pd, ou des nanoparticules Cu-Ni à base de métaux de transition. Il a été considéré comme un matériau de support prometteur stabilisant les nanoparticules bimétalliques et inhibant leur empoisonnement par des produits chimiques. De plus, il offre une énorme opportunité pour la récupération et la conversion de l'énergie solaire en un produit de valeur ou une autre forme d'énergie.

"Inspiré par la nature, l'humanité a appris que la lumière du soleil est l'une des sources d'énergie les plus puissantes sur Terre. La conversion efficace de la lumière en une forme d'énergie utilisable est principalement limitée en raison d'une séparation de charge non efficace et d'une mauvaise architecture des catalyseurs de récolte de lumière. Les conditions préalables à une large récolte spectrale et à un alignement favorable des niveaux d'énergie pour le processus déclenché par la lumière prévu doivent être couplées à une séparation et à une collecte rapides des charges, concurrence avec succès la recombinaison de charges photogénérées. Le problème mentionné ci-dessus pourrait être surmonté par la sélection appropriée des composants photoactifs et l'ingénierie appropriée des photoréacteurs. La combinaison des propriétés du matériau et de la technologie microfluidique est une solution parfaite intégrant plusieurs composants et fournissant une solution simple pour le processus catalytique continu à liquide-liquide dynamique, solide-liquide, ou interfaces gaz-solide-liquide, ", affirme le premier auteur, le Dr Ewelina Kuna.

L'immobilisation protège contre les changements de surface et l'agglomération de nanoparticules et permet une application évolutive sur une grande surface.

Remarques dr. Izabela Pietà, "Les systèmes catalytiques bimétalliques sont connus pour fournir des activités catalytiques plus élevées, et ils ont permis d'atteindre des rendements très élevés dans de nombreux processus. Nous nous concentrons toujours sur des systèmes plus complexes où la composition du catalyseur et l'agencement de la structure peuvent entraîner une activité plus élevée mais une sélectivité plus élevée envers les produits ciblés et une stabilité améliorée du catalyseur vis-à-vis de l'empoisonnement, durabilité, et à vie. Notre recherche couvre une compréhension fondamentale des surfaces catalytiques et du développement des mécanismes de réaction dans des conditions non isolées. Cette connaissance se traduira sûrement par une conception de catalyseur innovante, à la fois à l'échelle moléculaire (conception de l'architecture du site actif) et à l'échelle applicative (échelle du réacteur industriel) en adaptant plusieurs sites actifs catalytiques et leur répartition sur les surfaces de travail.

Les nanoparticules bimétalliques intégrées dans la surface du carbone modifié g-C3N4 semblent être une plate-forme universelle en catalyse, apporter une lumière vive dans les processus qui nécessitent de nouvelles solutions nanostructurales. Grâce à de telles études axées sur la relation forme et structure-activité dans les systèmes bimétalliques et son immobilisation sur la matrice évolutive et économique, nous nous rapprochons de la conception de catalyseurs novateurs et durables pour l'industrie.