Les scientifiques de l'Université nationale de Singapour ont développé une approche générale de chimie humide pour la synthèse évolutive et automatisée d'une bibliothèque de catalyseurs à atome unique ultra-haute densité (UHD-SAC) pour 15 métaux de transition communs sur des supports chimiquement distincts via un contrôle deux stratégie de recuit thermique en plusieurs étapes.

Les catalyseurs jouent un rôle important dans un certain nombre de processus chimiques industriels et il existe un besoin croissant de versions plus avancées pour améliorer leur efficacité. Les catalyseurs hétérogènes à un seul atome (SAC) sont une nouvelle classe de catalyseurs constitués d'atomes métalliques isolés dispersés individuellement à la surface des supports. Leurs propriétés géométriques et électroniques uniques ont le potentiel d'améliorer considérablement la sélectivité des réactions catalytiques ciblées et de réduire les coûts d'exploitation. Depuis que le concept de SAC a été inventé en 2011, l'intérêt pour cette classe de matériaux SAC a augmenté à l'échelle mondiale en se concentrant sur leur utilisation pour améliorer l'efficacité des transformations chimiques pour des processus industriels durables. Un défi fondamental pour la mise en œuvre de cette classe pionnière de catalyseurs dans de nombreuses applications techniques est le manque de voies de synthèse pour les produire avec des densités de surface élevées. La réalisation de ce dernier est particulièrement importante pour maximiser la productivité des catalyseurs dans les procédés industriels à grande échelle.

Une équipe de recherche NUS dirigée par le professeur Jiong Lu du Département de chimie et de l'Institut des matériaux intelligents fonctionnels de l'Université nationale de Singapour a abordé ce problème difficile en développant une méthode de recuit en deux étapes évolutive et polyvalente pour préparer des bibliothèques de matériaux ultra-hauts. SAC de densité. Ce travail est une collaboration entre le professeur Javier Pérez-Ramírez de l'ETH Zurich, le professeur Jun Li de l'Université Tsinghua et le Dr Xiaoxu Zhao de l'Université technologique de Nanyang (NTU). La méthode s'appuie sur le contrôle de l'élimination du ligand des précurseurs métalliques et leurs interactions associées avec le support pour saturer la surface du matériau avec des atomes métalliques.

Un mécanisme d'ancrage sélectif qui maximise la probabilité de liaison de l'atome de métal à tous les sites de coordination disponibles sur la surface du matériau permet de conserver un niveau élevé de couverture métallique. Les atomes métalliques qui ne sont pas fixés sont ensuite éliminés par lavage. Cela empêche le frittage potentiel du métal lors de l'étape ultérieure de recuit à haute température utilisée pour éliminer les ligands résiduels. L'étape de recuit permet également la stabilisation des teneurs en métal beaucoup plus élevées par rapport aux voies d'imprégnation conventionnelles (voir figure (a)). Cette voie de synthèse évolutive pour le développement des UHD-SAC a été démontrée pour 15 métaux de transition courants utilisant des supports chimiquement distincts de nature différente (y compris le carbone dopé à l'azote, le nitrure de carbone polymère, l'oxyde de cérium, l'alumine et l'oxyde de titane) avec une charge supérieure à 20 % en poids. (voir Figure (b)). En outre, l'approche proposée se prête facilement à un protocole automatisé normalisé (voir Figure (c) et Figure (d)) démontrant sa robustesse et fournit une voie viable pour explorer un grand nombre de bibliothèques de catalyseurs mono- ou multimétalliques. .

L'équipe a montré les avantages potentiels d'une charge élevée de SAC dans des systèmes catalytiques distincts, qui vont de la catalyse électrochimique, thermique et organique, illustrant la nécessité d'optimiser la densité de métal de surface pour une application catalytique spécifique. De plus, l'activité spécifique au site dépendante de la charge observée dans des systèmes catalytiques distincts reflète la complexité bien connue de la conception de catalyseurs hétérogènes. Cela peut maintenant être résolu avec une bibliothèque de SAC avec des charges métalliques largement réglables.

Le professeur Lu a déclaré :« Notre travail a résolu des problèmes de longue date dans la catalyse à un seul atome, y compris la densité de charge et la fabrication évolutive de cette classe pionnière de UHD-SAC. Ceci est crucial pour leur mise en œuvre industrielle dans les transformations chimiques et énergétiques durables. + Explorer plus loin

La structure mésoporeuse améliore les performances catalytiques des catalyseurs à un seul atome