La vie secrète des catalyseurs
Nouvelles découvertes en matière de réactions chimiques
Des scientifiques du département de la science des interfaces de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, en collaboration avec des scientifiques de la ligne de faisceaux du Helmholtz-Zentrum Berlin, ont réalisé une avancée dans le domaine de l'électrocatalyse. Leur dernière recherche, publiée dans la revue Nature Materials, met en lumière la façon dont les catalyseurs peuvent rester sous des formes inattendues au cours du processus de réduction des nitrates. L'étude, intitulée "Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy" (Révélation de la restructuration et de la composition des catalyseurs au cours de l'électro-réduction du nitrate grâce à la microscopie et à la spectroscopie Operando corrélées), offre de nouvelles perspectives qui pourraient ouvrir la voie à une conception plus efficace des catalyseurs.
© FHI
Comprendre les catalyseurs : La clé de meilleures réactions chimiques
Les catalyseurs sont des substances qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées au cours du processus. Ils sont essentiels dans de nombreuses applications industrielles, de la production de carburants à la fabrication de produits pharmaceutiques. Cependant, il a toujours été difficile de comprendre le comportement de ces catalyseurs lorsqu'ils fonctionnent. En effet, les catalyseurs peuvent changer de structure (taille et forme) et de composition lorsqu'un potentiel électrique est appliqué, un peu comme un caméléon change de couleur pour se fondre dans différents environnements. Une hypothèse de longue date est que, comme le caméléon, le catalyseur se transforme rapidement en son état préféré (état actif) une fois le potentiel électrique appliqué.
Une approche multimodale pour étudier les catalyseurs
L'équipe de recherche a utilisé une combinaison unique de techniques avancées pour montrer que cette hypothèse n'est pas valable dans certaines conditions. Tout d'abord, ils ont utilisé une méthode appelée microscopie électronique à transmission en cellule liquide électrochimique (EC-TEM) pour suivre les précatalyseurs cubiques en Cu2Odans des conditions où ils participaient à la réaction de réduction des nitrates qui est utilisée ici pour générer de l'ammoniac vert. Cette technique leur a permis de voir comment les catalyseurs, en particulier les précatalyseurs cubiques en Cu2O, se modifiaient au cours de la réaction. Ils ont ensuite utilisé une combinaison de microscopie/spectroscopie à rayons X et de spectroscopie Raman pour vérifier si les pré-catalyseurs se transforment en la phase métallique Cu attendue au cours de la réaction, et si cette transformation est homogène sur toutes les particules du nanocatalyseur.
Principales conclusions : Le rôle de la cinétique redox
L'une des principales conclusions de l'étude est que les cubes de Cu2One se transforment pas rapidement dans l'état métallique préféré et peuvent rester sous la forme d'un mélange de Cu métal, d'oxyde de Cu et d'hydroxyde de Cu pendant une longue période au cours de l'opération. La composition de ce mélange et la forme des catalyseurs évolués dépendent fortement du potentiel électrique appliqué, de l'environnement chimique et de la durée de la réaction.
Implications pour la sélectivité de l'ammoniac
L'une des principales motivations de l'étude de la réduction des nitrates est d'explorer son potentiel de recyclage des nitrates résiduels en les retransformant en ammoniac, un ingrédient clé des engrais destinés à la production alimentaire. Jusqu'à présent, nos stratégies d'optimisation de ce processus ont été basées sur l'attente que les catalyseurs adoptent leurs formes les plus favorables au cours de la réaction. Cette recherche ouvrira la voie à de nouvelles façons de concevoir les pré-catalyseurs à base de Cu qui sont plus efficaces pour produire de l'ammoniac.
Conclusion
See Wee Chee, chef de groupe au département de la science des interfaces et auteur correspondant de l'étude, souligne : "Il est inattendu que nous obtenions différentes phases au cours de la réaction, en particulier lorsque nous partons d'une forme unique d'un pré-catalyseur à élément unique. Plus important encore, cet état mixte peut être maintenu pendant une longue période, ce qui constitue une information précieuse si nous voulons concevoir des catalyseurs plus efficaces."
Cette recherche démontre également comment des techniques d'observation avancées en temps réel, capables de saisir les différences chimiques locales, peuvent nous aider à comprendre la nature complexe des catalyseurs en action.
Beatriz Roldán, directrice du département des sciences de l'interface à l'Institut de recherche sur la santé (FHI) et co-auteur de la correspondance, a déclaré : "Dans l'industrie, le NH3 est synthétisé dans les eaux souterraines et les eaux usées : "Industriellement, le NH3 est synthétisé par la méthode de catalyse thermique Haber-Bosch en phase gazeuse, qui se déroule à des températures modérées (450-550 °C) mais à des pressions élevées (150 bar) avec une grande consommation deH2 d'origine fossile. Le défi que nous avons relevé ici était de trouver une méthode alternative pour la synthèse de NH3 avec des émissions de carbone réduites. Nous y sommes parvenus en suivant une voie électrocatalytique directe alimentée par de l'électricité renouvelable".
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Publication originale
Aram Yoon, Lichen Bai, Fengli Yang, Federico Franco, Chao Zhan, Martina Rüscher, Janis Timoshenko, Christoph Pratsch, Stephan Werner, Hyo Sang Jeon, Mariana Cecilio de Oliveira Monteiro, See Wee Chee, Beatriz Roldan Cuenya; "Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy"; Nature Materials, 2025-1-24
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