Il y a un dicton pour "ne jamais changer un système en cours d'exécution." Les nouvelles méthodes peuvent cependant être de loin supérieures aux anciennes. Alors qu'à ce jour les réactions chimiques sont principalement accélérées par des matériaux catalytiques qui comportent plusieurs centaines d'atomes, l'utilisation d'atomes simples pourrait fournir une nouvelle approche pour la catalyse.

Une équipe de recherche internationale, dirigé par la TU Vienne, L'Autriche, a maintenant développé une nouvelle méthode pour ancrer des atomes individuels de manière contrôlée et stable sur des surfaces. Il s'agit d'une étape importante vers la catalyse à atome unique. Les chercheurs travaillant avec Bernhard C. Bayer ont présenté la nouvelle méthode dans la revue scientifique ACS Nano .

Des atomes simples pour remplacer les nanoparticules

Les catalyseurs modernes sont constitués de nanoparticules et sont donc très petits. Cependant, vu leur taille à l'échelle atomique, ils comprennent encore des centaines d'atomes, beaucoup plus gros que les catalyseurs à un seul atome. S'il devenait possible d'accélérer des réactions chimiques avec des atomes isolés, cela pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour la catalyse. La catalyse à un seul atome peut être plus durable et économe en énergie et elle peut également être plus sélective et atteindre un chiffre d'affaires plus élevé que les procédés traditionnels.

Dans la méthode nouvellement développée, les atomes de silicium servent d'"ancres" pour les atomes de métal simples. Les atomes de silicium eux-mêmes apparaissent souvent comme une impureté dans les matériaux de support de carbone. A ces atomes de silicium sont maintenant liés des atomes d'indium, qui peuvent agir comme des catalyseurs à un seul atome. "Les atomes d'indium se lient sélectivement aux ancres de silicium dans le réseau cristallin de carbone, " dit Bernhard C. Bayer de l'Institut de chimie des matériaux à la TU Wien. " Ainsi, les atomes d'indium individuels restent stables et ancrés à leurs positions et ne s'agglutinent pas, " poursuit Bayer, qui a dirigé la recherche. "Ce qui rend la nouvelle technologie particulièrement excitante, c'est que les atomes d'indium sont ancrés de manière auto-assemblée, si les conditions de réaction sont bonnes. Cela rend le processus potentiellement évolutif, " ajoute Kenan Elibol de l'Université de Vienne et du Trinity College de Dublin et premier auteur de l'étude.

Cependant, le processus est également venu avec ses défis que l'équipe de recherche a relevés avec succès. En particulier, le dépôt d'atomes individuels sur des surfaces de support solides est difficile. En effet, les atomes isolés s'éloignent normalement rapidement de leur emplacement et s'agglutinent pour former des particules plus grosses. La formation de telles particules plus grosses annule les avantages de la catalyse à un seul atome.

D'autres tests à suivre

À l'aide d'un microscope électronique à haute résolution de l'Université de Vienne, l'équipe de recherche a pu observer les mécanismes d'ancrage au silicium des atomes uniques d'indium. « Nous avons pu démontrer, que l'ancrage des atomes d'indium dépend de la façon dont les ancres de silicium sont liées dans le réseau cristallin de carbone, " dit Toma Susi de l'Université de Vienne, qui a en outre élucidé les structures d'ancrage par des méthodes de calcul modernes. "Un tel ancrage contrôlé et stable à température ambiante d'atomes individuels sur des surfaces solides n'a pas encore été rapporté et ouvre des perspectives passionnantes pour des applications catalytiques dans les domaines de l'énergie et de l'environnement, " ajoute Dominik Eder de la TU Wien et expert en catalyse.

D'autres expériences suivront afin que la méthode développée par les chercheurs viennois puisse également être utilisée industriellement :« Les atomes isolés placés avec la nouvelle méthode doivent maintenant être testés en détail en tant que catalyseurs de diverses réactions chimiques, " dit Bernhard C. Bayer.