Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont développé un moyen d'ajouter des nanofeuilles simples d'oxyde métallique mixte à des nanoparticules d'or supportées sur de la silice pour améliorer leur activité catalytique.
En convertissant le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, ils ont constaté que la température requise pour la réaction était considérablement réduite, avec des améliorations significatives par rapport aux méthodes existantes de revêtement des structures or/silice. La méthode ouvre la voie au développement d’une large gamme de nouveaux catalyseurs hautes performances. Les résultats sont publiés dans la revue ACS Applied Materials &Interfaces .
Les nanoparticules d'or, particules de moins de cinq nanomètres de diamètre, sont connues pour être d'excellents catalyseurs de réactions chimiques, en particulier de réactions d'oxydation telles que la conversion du monoxyde de carbone nocif en dioxyde de carbone. L'effet est prononcé lorsqu'ils sont montés sur des oxydes métalliques comme l'oxyde de cobalt, qui sont plus susceptibles de subir la réaction opposée, c'est-à-dire des oxydes réductibles.
Malheureusement, tous les oxydes métalliques ne sont pas réductibles. Les nanoparticules montées sur des oxydes irréductibles comme la silice par exemple ne constituent pas un catalyseur efficace. Compte tenu de l'abondance de silice sur notre planète, trouver un moyen d'améliorer les performances de ces matériaux stimulerait considérablement le déploiement industriel.
Cela a conduit les scientifiques à rechercher des moyens de modifier les catalyseurs supportés pour améliorer leurs performances.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le professeur agrégé Tamao Ishida de l'Université métropolitaine de Tokyo a mis au point une méthode pour déposer des nanofeuilles simples d'oxydes métalliques mixtes (MMO) à l'aide d'hydroxydes doubles en couches (LDH).
Les LDH sont constitués de nanofeuilles d'hydroxyde métallique dont certains ions métalliques sont remplacés par des ions métalliques ayant une charge plus élevée, donnant à la feuille elle-même une charge positive nette ; les feuilles sont liées entre elles par des ions négatifs. Il est important de noter que les nanofeuilles individuelles peuvent être exfoliées et utilisées séparément.
Dans cette étude, l’équipe a recouvert des nanoparticules d’or supportées sur de la silice, une structure chargée négativement, avec des nanofeuilles LDH chargées positivement constituées d’aluminium et d’une gamme d’autres métaux, puis les a exposées à des températures élevées (calcination) pour former une nanocouche MMO.
En observant leur nouveau catalyseur, en utilisant la microscopie électronique à transmission, ils ont découvert que les nanoparticules étaient recouvertes d'une couche de moins d'un nanomètre d'épaisseur. Pour tester leurs performances, l'équipe les a utilisés pour convertir le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone.
Alors que les nanoparticules d'or sur silice n'avaient qu'un taux de conversion d'environ 20 %, même à 300° Celsius, leur nouveau catalyseur a montré un taux de conversion de 50 % à seulement 50° Celsius, soit une réduction de plus de 250° Celsius. Il s'est également avéré plus performant que les méthodes « d'imprégnation » populaires pour le revêtement MMO.
Fait intéressant, il a été constaté que des couches de MMO plus épaisses entraînaient de moins bonnes performances :les hautes performances proviennent d’un revêtement inférieur au nanomètre. En examinant plus en détail une couche de MMO en cobalt et aluminium, ils ont découvert une abondance de défauts d’oxygène dans la couche ; l'équipe a conclu que l'étroite synergie entre cette couche remplie de défauts et la surface de l'or était à l'origine de l'activité accrue.
Le nouveau catalyseur a réalisé des performances exceptionnelles avec de très faibles niveaux d'inclusion de cobalt, inférieurs à 0,3 % en poids. Les résultats ouvrent la voie à une application à un large éventail d'autres matériaux et à toute une famille de nouveaux catalyseurs hautes performances.
Plus d'informations : Kaho Okayama et al, Décoration de catalyseurs de nanoparticules d'or et de platine par une couche d'oxyde métallique de 1 nm d'épaisseur et son effet sur l'activité d'oxydation du CO, Matériaux et interfaces appliqués par ACS (2024). DOI :10.1021/acsami.3c14935
Informations sur le journal : Matériaux et interfaces appliqués ACS
Fourni par l'Université métropolitaine de Tokyo
