Comment les catalyseurs perdent secrètement leur stabilité
Les composés à structure organique covalente sont plus actifs en tant que catalyseurs que ce que l'on pourrait croire
Les cadres organiques covalents (COF) sont des catalyseurs moins stables qu'on ne le pensait, mais ils restent très actifs. Les COF sont des catalyseurs de conception prometteuse, par exemple pour la production durable de produits chimiques et de carburants. Leurs propriétés peuvent être ajustées de manière très spécifique pour catalyser une réaction souhaitée grâce à leur accordabilité précise, à la fois en termes de structure moléculaire et de composition chimique. Cependant, des chercheurs de l'université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne, et des instituts Max Planck pour la recherche sur l'état solide (MPI-FKF) et pour les matériaux durables (MPI-SusMat) ont montré que l'activité catalytique n'est pas générée par les COF eux-mêmes. Au contraire, les ions cobalt se détachent de l'échafaudage et se transforment en nanoparticules oxydantes qui facilitent en fait la catalyse. L'équipe décrit ses résultats dans la revue Advanced Science, publiée en ligne le 26 novembre 2024.
"Grâce aux connaissances acquises dans le cadre de cette étude, nous serons en mesure de concevoir des catalyseurs à partir de cadres organiques et de nanoparticules nettement plus efficaces que les COF conçus auparavant", explique le professeur Kristina Tschulik de l'université de la Ruhr à Bochum et du pôle d'excellence RESOLV, qui a eu l'idée de cette étude conjointement avec le professeur Bettina Lotsch du MPI-FKF. "En tant qu'électrochimiste, je me suis toujours demandé comment l'activité catalytique des COF se produisait", explique Kristina Tschulik, qui voulait en savoir plus.
Stable dans des conditions de réaction difficiles ?
Le groupe de Bochum dirigé par Kristina Tschulik a entamé une collaboration avec des chercheurs de Stuttgart dirigés par Bettina Lotsch, experts dans la synthèse des COF. Les deux équipes font partie du centre de recherche collaborative 1333, basé à l'université de Stuttgart. Les chercheurs autour de Pouya Hosseini, Andrés Rodríguez-Camargo et Liang Yao ont analysé l'activité catalytique de plusieurs COFs contenant du cobalt dans la réaction dite d'évolution de l'oxygène. Cette réaction se produit dans de nombreuses réactions industrielles importantes, par exemple dans l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène. "Les conditions de la réaction de dégagement de l'oxygène sont difficiles", explique Kristina Tschulik. "Il n'existe en fait qu'un seul catalyseur - l'oxyde d'iridium - qui reste stable. Cependant, un nombre croissant d'études ont rapporté que les COF sont également stables à long terme dans cette réaction.
Dans un premier temps, l'équipe de recherche a analysé les COF par voie électrochimique au cours de la réaction de transformation de l'oxygène. En fait, la conversion s'est déroulée avec une activité élevée sur plusieurs cycles. Cependant, Kristina Tschulik avait déjà observé les courbes de potentiel de courant enregistrées dans un contexte différent. Dans le cadre du Centre de recherche collaborative 247, la scientifique travaille depuis sept ans sur les nanoparticules d'oxyde de cobalt en tant que catalyseurs qui génèrent précisément cette forme de courbe. Le groupe a donc entamé une caractérisation plus complexe des matériaux, avec l'aide d'une équipe de chercheurs de MPI-SusMat dirigée par Christina Scheu, qui sont des experts en microscopie électronique.
Les échafaudages empêchent les nanoparticules de s'agglutiner
Ces analyses ont montré que des nanoparticules de cobalt oxydantes sont formées à partir des composés d'échafaudage contenant du cobalt, qui prennent en charge le travail de catalyse. Cette conversion a lieu immédiatement lorsque l'électrode est immergée dans la solution basique. "Cependant, les échafaudages poreux de COF remplissent toujours une fonction importante", déclare Tschulik, expliquant un autre résultat des analyses. "Ils fournissent un environnement de réaction approprié et maintiennent les nanoparticules en place. Normalement, les particules ont tendance à s'agréger, ce qui signifie que leur surface catalytique est moins accessible et qu'elles se désactivent."
Dans leur publication, les auteurs proposent également des suggestions sur la manière dont les COF chargés de catalyseur pourraient être produits de manière ciblée à l'avenir, afin qu'ils restent stables et catalytiquement actifs même dans des conditions de réaction difficiles.
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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