Récemment, les catalyseurs à base de carbone, en particulier les nanocarbones dopés à l'azote, sont apparus comme des alternatives durables et fiables aux catalyseurs métalliques traditionnellement utilisés pour soutenir les réactions chimiques.

Des chercheurs du Laboratoire clé des matériaux fonctionnels avancés à base de carbone (Université de la province du Fujian) de l'Université de Fuzhou ont synthétisé des nanocarbones à partir de molécules de guanine pour mieux comprendre le rôle précis que joue l'azote dans les matériaux à base de carbone et explorer les mécanismes de réaction de ces systèmes catalytiques.

Dans une étude récemment publiée, l'équipe de recherche a clarifié comment différents types d'azote peuvent moduler l'activité de déshydrogénation oxydative, un processus critique impliqué dans la conversion de composés inertes en nanocarbones réactifs.

L'étude a été publiée dans la revue Carbon Future. le 4 février.

"L'étude offre des conseils théoriques pour créer des catalyseurs de carbone très efficaces, qui pourraient faire progresser les énergies propres converties à partir de ressources renouvelables dans des industries comme le plastique, la médecine et le caoutchouc", a déclaré l'auteur de l'étude Zailai Xie de l'Université de Fuzhou.

Le dopage de matériaux carbonés avec des hétéroatomes tels que l'azote peut modifier les propriétés du carbone. Cette pratique a suscité un intérêt considérable, ce qui a incité les chercheurs à étudier ses avantages possibles. Le dopage à l'azote, en particulier, s'est révélé être une stratégie très efficace pour créer des matériaux avancés pour la capture du dioxyde de carbone, la conversion d'énergie, le stockage d'énergie et d'autres applications.

Malgré les progrès réalisés dans le domaine du dopage à l’azote, certaines questions clés restent sans réponse. Par exemple, les performances des matériaux nanocarbonés sont considérablement influencées par les groupes fonctionnels d'atomes à la surface. Mais, jusqu'à présent, les matériaux nanocarbonés présentent des groupes fonctionnels de surface incontrôlables, ce qui complique l'identification de sites actifs pour différents types de réactions.

"Ce comportement entrave notre compréhension du rôle intrinsèque que jouent les dopants à l'azote dans l'amélioration de l'activité catalytique et la détermination du mécanisme catalytique", a déclaré Xie.

Selon Xie, pour faire progresser le domaine de la catalyse des nanocarbones dopés à l’azote, les chercheurs ont besoin de catalyseurs plus contrôlés et mieux caractérisés. Cela permettrait aux chercheurs d'isoler les effets d'espèces azotées spécifiques sur les performances catalytiques.

Dans la poursuite de cet objectif, l'équipe de recherche de l'Université de Fuzhou a développé une méthode pour contrôler avec précision les groupes fonctionnels de surface, principalement les groupes oxygène et azote, lors de la génération de catalyseurs nanocarbonés.

L’équipe a obtenu un ensemble de nanocarbones grâce à des molécules de guanine auto-assemblées – un composé présent dans le guano ou les écailles de poisson – et a exposé le matériau obtenu à la chaleur sans oxygène. S'inspirant de l'auto-assemblage supramoléculaire de composants biologiques comme la guanine et de bases nucléiques associées telles que la guanosine, cette approche synthétique offre un moyen intrigant de générer des nanomatériaux ordonnés.

Ces molécules possèdent des sites de liaison empilés π, liés par H et d'autres sites de liaison multiplex qui facilitent la formation d'assemblages supramoléculaires fonctionnels. La guanine, largement présente dans les structures photoniques biogéniques de divers organismes vivants, présente diverses formes et tailles, notamment des plaques hexagonales, des plaques carrées, des polygones irréguliers et des prismes.

Les variations subtiles de la morphologie des cristaux de guanine contribuent aux phénomènes optiques colorés observés chez les animaux, tels que les écailles de poisson, les corps d'araignées et les yeux des animaux. Cependant, le contrôle précis de la morphologie des cristaux de guanine biogénique dans les organismes reste mal compris.

Malgré les propriétés remarquables des cristaux de guanine, la production artificielle de cristaux de guanine réguliers qui imitent étroitement les conditions biologiques et leur transformation ultérieure en matériaux carbonés fonctionnels n'a pas encore été réalisée dans l'approche de synthèse chimique.

"Les carbones synthétisés présentaient des propriétés uniques et intrigantes, notamment des groupes oxygène de surface relativement stables et une teneur élevée en azote", a déclaré Xie.

De plus, la présence de multiples liaisons hydrogène dans la guanine a permis la formation d’un nanofeuillet bidimensionnel avec des types contrôlables de dopants azotés. La teneur en azote peut être réglée avec précision d'environ 5 % à 30 at %, tandis que la teneur en oxygène peut être maintenue à un niveau constant de 4 %.

"Cette propriété unique fait de la guanine un précurseur de preuve de concept idéal pour les catalyseurs de modèles de construction pouvant conduire à une compréhension approfondie du rôle des dopants à haute teneur en azote dans la catalyse des nanocarbones", a déclaré Xie.

Pour approfondir les relations structure-fonction, l’équipe a testé des réactions de déshydrogénation et d’hydrogénation, dans lesquelles des molécules d’hydrogène sont éliminées ou ajoutées à une molécule plus grosse. Les tests ont démontré que différents types d'azote dans les nanocarbones, à savoir l'azote graphitique et l'azote pyridinique, servent respectivement de modulateurs donneurs et attracteurs d'électrons, ce qui peut adapter l'activité de déshydrogénation oxydative des nanocarbones.

"En tant que catalyseur efficace et sans métal, nous avons découvert pour la première fois le rôle des dopants à l'azote dans la déshydrogénation et l'hydrogénation", a déclaré Xie. "Nous pensons que nos résultats fournissent des informations précieuses sur les mécanismes de réaction physico-chimiques des systèmes catalytiques au carbone dopés à l'azote et offrent des conseils théoriques pour la synthèse de catalyseurs au carbone hautement efficaces."

Plus d'informations : Xuefei Zhang et al, Identification du rôle des dopants azotés dans la catalyse des nanocarbones, Carbon Future (2024). DOI :10.26599/CF.2024.9200008

Fourni par Tsinghua University Press