Observer une surface catalytique bimétallique en action
Il n'est possible d'obtenir de telles informations sur les catalyseurs en fonctionnement qu'en utilisant des techniques expérimentales de pointe dans des conditions de réaction
Une équipe de chercheurs du département de la science des interfaces de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck s'est penchée sur la question suivante : qu'arrive-t-il à une surface de Cu promue par Ga dans les conditions de réaction requises pour la synthèse du méthanol ? Ils ont découvert des transformations structurelles complexes de ce catalyseur bimétallique qui pourraient modifier l'opinion courante sur la structure de la surface catalytiquement active.
L'hydrogénation du CO2 en méthanol se produit avec une grande efficacité sur les fameux catalyseurs Cu/ZnO/Al2O3 à des pressions élevées, c'est-à-dire entre 50 et 100 bars. Cependant, cette synthèse n'entraîne pas seulement des risques pour la sécurité et une consommation d'énergie élevée, mais limite également la concentration de CO2 dans l'alimentation en gaz afin de maintenir une sélectivité élevée. Par conséquent, une nouvelle classe de catalyseurs pour la synthèse du méthanol à basse pression est hautement souhaitable, y compris pour le développement futur de dispositifs à petite échelle utilisant de l'hydrogène généré par l'énergie solaire à la pression ambiante.
On a récemment découvert que les composés intermétalliques et les alliages contenant du Ga présentent de bonnes performances catalytiques, même à des pressions atmosphériques. Cependant, le rôle promotionnel du Ga dans ces catalyseurs est encore mal compris, principalement en raison du manque d'informations sur les structures de surface des catalyseurs. À cet égard, les études utilisant des techniques sensibles à la surface appliquées à des catalyseurs modèles bien définis dans des conditions de réaction peuvent fournir des informations clés qui nous aideront à comprendre la nature dynamique des sites actifs, des intermédiaires de réaction et, en fin de compte, du mécanisme de réaction.
Une équipe de chercheurs du département de la science des interfaces de l'Institut Fritz Haber a utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (NAP-XPS) et la microscopie à effet tunnel (NAP-STM) pour suivre in situ l'évolution structurelle et chimique des surfaces bimétalliques Ga-Cu dans la réaction d'hydrogénation du CO2. Ils ont observé un désalliage de la surface bimétallique en fonction de la température et de la pression, ce qui a entraîné la formation d'îlots d'oxyde de Ga intégrés à la surface de Cu. Bien que la phase oxyde présente une stœchiométrie proche de Ga2O3, c'est-à-dire l'oxyde de Ga le plus stable, elle forme en réalité une couche ultramince. L'effet promotionnel de métaux tels que le Ga, qui sont sujets à l'oxydation, est souvent discuté dans le cadre de modèles de structure où un oxyde massif est placé sur la surface du métal et où le mécanisme réactionnel correspondant implique le débordement d'espèces intermédiaires à l'interface. La présente étude a clairement démontré que : (i) l'oxyde de ga est intégré à la surface du métal ; et (ii) les îlots d'oxyde de ga sont ultraminces, très probablement d'une épaisseur "monocouche". La formation, induite par la réaction, d'une couche ultramince d'oxyde de ga sur les surfaces métalliques est également prévue pour les composés intermétalliques contenant du Ga. Il est important de noter que ces films d'oxyde bidimensionnels sont très différents de leurs homologues en vrac en termes de structure et de réactivité. Par conséquent, l'interface GaOx/Cu formée dans les conditions de la réaction d'hydrogénation du CO2 peut exposer des sites catalytiquement actifs qui n'ont jamais été considérés pour cette réaction auparavant. Il serait impossible d'obtenir de telles informations à l'aide de techniques sensibles à la structure en vrac couramment utilisées pour la caractérisation des catalyseurs en poudre.
Les résultats de cette étude, réalisée dans le cadre du projet CATLAB et également soutenue par la Fondation Alexander von Humboldt, qui vient d'être publiée dans Nature Communications, mettent en lumière la structure complexe de la surface des systèmes catalytiques contenant du Ga. Il n'est possible d'obtenir de telles informations sur les catalyseurs en fonctionnement qu'en utilisant des techniques expérimentales de pointe dans des conditions de réaction. Ce n'est qu'en établissant la structure atomique de la (des) couche(s) d'oxyde de ga et son interface avec le métal de transition dans des conditions de travail que l'on peut comprendre le mécanisme de réaction de ce catalyseur de synthèse du méthanol.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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