La « règle des dix électrons » fournit des lignes directrices pour la conception de catalyseurs en alliage à un seul atome pour des réactions chimiques ciblées.
Une équipe collaborative de quatre universités a découvert une règle très simple pour concevoir des catalyseurs en alliage à un seul atome pour les réactions chimiques. La « règle des dix électrons » aide les scientifiques à identifier très rapidement des catalyseurs prometteurs pour leurs expériences. Au lieu de nombreuses expériences d’essais et d’erreurs de simulations informatiques exigeantes en termes de calcul, la composition des catalyseurs peut être proposée simplement en consultant le tableau périodique.
Les alliages monoatomiques sont une classe de catalyseurs constitués de deux métaux : quelques atomes de métal réactif, appelé dopant, sont dilués dans un métal inerte (cuivre, argent ou or). Cette technologie récente est extrêmement efficace pour accélérer les réactions chimiques, mais les modèles traditionnels n’expliquent pas leur fonctionnement.
L’équipe, qui a travaillé à l’Université de Cambridge, à l’University College de Londres, à l’Université d’Oxford et à l’Université Humboldt de Berlin, a publié ses recherches dans Chimie naturelle. Les scientifiques ont réalisé des simulations informatiques pour découvrir les lois sous-jacentes qui contrôlent le fonctionnement des catalyseurs en alliage à un seul atome.
La règle montrait un lien simple : les produits chimiques se lient le plus fortement aux catalyseurs en alliage à un seul atome lorsque le dopant est entouré de dix électrons. Cela signifie que les scientifiques qui conçoivent des expériences peuvent désormais simplement utiliser les colonnes du tableau périodique pour trouver quels catalyseurs auront les propriétés souhaitées pour leurs réactions.
Le Dr Romain Réocreux, chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Angelos Michaelides, qui a dirigé cette recherche, déclare : « Lorsque vous avez une réaction chimique difficile, vous avez besoin d’un catalyseur doté de propriétés optimales. Le catalyseur peut empoisonner et cesser d’accélérer votre réaction ; d’un autre côté, un catalyseur à faible liaison peut tout simplement ne rien faire. »
« Nous pouvons désormais identifier le catalyseur optimal simplement en regardant une colonne du tableau périodique. C’est très puissant puisque la règle est simple et peut accélérer la découverte de nouveaux catalyseurs pour des réactions chimiques particulièrement difficiles. »
Le professeur Stamatakis, professeur de chimie inorganique computationnelle à l’Université d’Oxford, qui a contribué à la recherche, déclare : « Après une décennie de recherche intense sur les alliages à un seul atome, nous disposons désormais d’un cadre théorique élégant, simple mais puissant qui explique la liaison tendances énergétiques et nous permet de faire des prédictions sur l’activité catalytique.
En utilisant cette règle, l’équipe a proposé un catalyseur prometteur pour une version électrochimique du procédé Haber-Bosch, une réaction clé pour la synthèse d’engrais qui utilise le même catalyseur depuis sa découverte en 1909.
Le Dr Julia Schumann, qui a lancé le projet à l’Université de Cambridge et qui travaille maintenant à l’Université Humboldt de Berlin, explique : « De nombreux catalyseurs utilisés aujourd’hui dans l’industrie chimique ont été découverts en laboratoire à l’aide de méthodes d’essais et d’erreurs. Grâce aux propriétés des matériaux, nous pouvons proposer de nouveaux catalyseurs avec une efficacité énergétique améliorée et des émissions de CO2 réduites pour les processus industriels.
Plus d’information:
Règle de comptage de dix électrons pour la liaison des adsorbats sur des catalyseurs en alliage à un seul atome, Chimie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41557-023-01424-6