Les catalyseurs sont souvent des matériaux solides dont la surface entre en contact avec des gaz ou des liquides, permettant ainsi certaines réactions chimiques. Cependant, cela signifie que tous les atomes du catalyseur qui ne sont pas à la surface ne servent à rien. Par conséquent, il est important de produire des matériaux extrêmement poreux, avec une surface aussi grande que possible par gramme de matériau catalyseur.

Des scientifiques de la TU Wien (Vienne), en collaboration avec d'autres groupes de recherche, ont maintenant développé une nouvelle méthode pour produire des structures ressemblant à des éponges hautement actives avec une porosité à l'échelle du nanomètre. La percée décisive a été réalisée grâce à un processus en deux étapes :des cadres métallo-organiques (MOF) sont utilisés, qui contiennent déjà de nombreux trous minuscules. Ensuite, un autre type de trous est créé - ces trous artificiels servent de chemin à grande vitesse pour les molécules. Cela a permis de battre des records d'activité antérieurs dans la séparation de l'eau en hydrogène et oxygène. Les résultats ont maintenant été publiés dans la revue Nature Communications .

Une éponge à l'échelle du nanomètre

"Les cadres métallo-organiques sont une classe passionnante de matériaux multifonctionnels", déclare Shaghayegh Naghdi, l'auteur principal de l'étude. "Ils sont composés de minuscules amas métal-oxygène qui sont liés à de petites molécules organiques dans des réseaux hybrides hautement poreux. Dehors, nous voyons un matériau solide, cependant, à l'échelle nanométrique, il a beaucoup d'espace ouvert qui offre les plus grandes surfaces spécifiques connues. jusqu'à 7 000 m ² par gramme."

Ces caractéristiques recommandent l'utilisation des MOF dans la séparation et le stockage des gaz, la purification de l'eau et l'administration de médicaments. De plus, la proximité à l'échelle atomique de composés moléculaires aux propriétés chimiques, électroniques et optiques distinctes en fait également des candidats prometteurs pour la photo- et l'électrocatalyse.

"Jusqu'à présent, le plus gros problème était que le diamètre des pores intrinsèques était trop petit pour un renouvellement catalytique efficace", explique le professeur Dominik Eder. "Nous parlons de pores très longs et extrêmement petits de 0,5 à 1 nm de diamètre, soit à peu près la taille de nombreuses petites molécules. Il faut un certain temps pour que les molécules de réactifs atteignent les sites actifs à l'intérieur des MOF, ce qui ralentit le processus catalytique. réaction considérablement."

Pour surmonter cette limitation, le groupe a développé une méthode qui tire parti de la flexibilité structurelle des MOF. "Nous avons incorporé deux lieurs organiques structurellement similaires, mais chimiquement différents pour créer des cadres à ligands mixtes", explique le Dr Alexey Cherevan.

"En raison de la stabilité thermique différente des deux ligands, nous avons pu éliminer l'un des ligands de manière très sélective grâce à un processus appelé thermolyse", explique Shaghayegh Naghdi. De cette façon, des types supplémentaires de pores d'un diamètre allant jusqu'à 10 nanomètres peuvent être ajoutés. Les nanopores d'origine du matériau sont complétés par des pores interconnectés de type "fracture", qui peuvent agir comme une connexion à grande vitesse pour les molécules à travers le matériau.

Six fois plus réactif

Le groupe d'IMC s'est associé à des collègues de l'Université de Vienne et du Technion en Israël et a utilisé une pléthore de techniques expérimentales et théoriques de pointe pour caractériser pleinement les nouveaux matériaux, qui ont également été testés pour le H_{2 évolution. The introduction of fracture-type pores could increase the catalytic activity by six times, which places these MOFs top among the currently best photocatalysts for hydrogen production.}

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Explorer plus loin

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