Les métaux précieux jouent un rôle important dans l’industrie chimique en tant que catalyseurs : à l’aide de l’argent, du platine, du palladium ou d’autres éléments, des réactions chimiques peuvent avoir lieu qui autrement ne progresseraient pas ou ne progresseraient qu’à une vitesse de réaction beaucoup plus faible. Ces métaux sont souvent utilisés sous forme de minuscules nanoparticules.
Cependant, leur efficacité dépend également de la surface sur laquelle ils sont placés. Les nanoparticules à base de carbone semblent particulièrement efficaces, mais la raison en est restée longtemps inconnue.
À la TU Wien, cependant, les chercheurs ont pour la première fois mesuré et expliqué avec précision l’interaction entre les nanoparticules métalliques et un substrat de carbone. Les atomes d’argent sur un support en carbone se sont révélés 200 fois plus actifs que les atomes d’un morceau d’argent pur. Les résultats sont publié dans la revue Catalyse ACS.
Les simulations informatiques montrent que la zone dans laquelle l’argent est en contact direct avec le carbone est cruciale. À l’aide de l’échange isotopique de l’hydrogène, une méthode a été développée pour tester plus rapidement et plus facilement l’efficacité des supports de catalyseur.
De « l’art noir » à la science
« Pendant longtemps, l’utilisation du carbone comme matériau support pour la catalyse avait quelque chose de presque magique », explique le professeur Günther Rupprechter de l’Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. L’Université de Cadix (Espagne) et le Centre de microscopie électronique USTEM de la TU Wien ont également été impliqués.
La source de carbone s’est avérée importante. Pour certains processus, on utilise du carbone obtenu à partir de coques de noix de coco, de fibres ou de bois spéciaux. De telles « recettes » peuvent même être trouvées dans les documents de brevet, même si l’origine des substances chimiques devrait en réalité être relativement peu pertinente. « Cela a toujours ressemblé un peu à de l’art noir », explique Rupprechter.
L’idée était que différentes méthodes de fabrication pouvaient conduire à des différences chimiques ou physiques minimes : peut-être que le carbone s’organise de différentes manières selon la méthode de fabrication ? Peut-être contient-il des traces d’autres éléments chimiques ? Ou bien des groupes fonctionnels s’accumulent-ils à la surface – de petits éléments moléculaires qui interviennent dans la réaction chimique ?
« Dans l’industrie chimique, on se contente naturellement souvent du fait qu’un processus fonctionne et puisse être répété de manière fiable », explique Rupprechter. « Mais nous voulions remonter à l’origine de cet effet et comprendre exactement ce qui se passe réellement ici au niveau atomique. »
Mesures de précision dans un microréacteur
L’équipe a d’abord produit des échantillons qui ont pu être caractérisés de manière extrêmement précise : des nanoparticules d’argent de taille connue sur un substrat de carbone et une fine feuille d’argent sans carbone.
Les deux échantillons ont ensuite été examinés dans un réacteur chimique. « L’argent peut être utilisé pour diviser les molécules d’hydrogène en atomes d’hydrogène individuels », explique Thomas Wicht, le premier auteur de l’étude. « Cet hydrogène peut ensuite être utilisé, par exemple, pour la réaction d’hydrogénation de l’éthène.
« De manière analogue, on peut également mélanger des molécules d’hydrogène « ordinaires » avec des molécules d’hydrogène lourd (deutérium). Les deux molécules sont ensuite dissociées par l’argent et recombinées. »
Plus le catalyseur est actif, plus les deux isotopes de l’hydrogène sont échangés fréquemment. Cela fournit des informations très fiables sur l’activité du catalyseur.
Cela signifiait que, pour la première fois, la différence d’activité entre les atomes d’argent avec et sans support carboné pouvait être quantifiée avec précision, avec des résultats spectaculaires. « Pour chaque atome d’argent, le fond carboné induit une activité 200 fois supérieure », explique Wicht.
« C’est bien sûr très important pour les applications industrielles. Vous n’avez besoin que de deux centièmes de la quantité de métaux précieux coûteux pour réaliser la même activité – et vous pouvez le faire simplement en ajoutant du carbone relativement peu coûteux. »
L’effet excitant se produit juste à la frontière
Alexander Genest de l’équipe de la TU Wien a réalisé des simulations informatiques comparant l’activation de l’hydrogène par des nanoparticules d’argent sur du carbone et de l’argent pur. Cela a été clair : la région limite entre les particules d’argent et le support de carbone est cruciale. L’effet catalyseur est maximal là où les deux entrent en contact.
« Il ne s’agit donc pas de la taille de la surface du carbone ni d’atomes étrangers ou de groupes fonctionnels. Un effet catalytique extrême se produit lorsqu’une molécule réactive entre en contact à la fois avec un atome de carbone et un atome d’argent directement à l’interface », explique Genest. Plus cette zone de contact direct est grande, plus l’activité est importante.
Cette connaissance signifie que l’efficacité de différents lots de carbone provenant de différentes sources peut désormais être vérifiée assez facilement. « Maintenant que nous avons compris le mécanisme d’action, nous savons exactement à quoi faire attention », explique Rupprechter.
« Notre expérience, dans laquelle nous exposons les catalyseurs à un mélange d’hydrogène ordinaire et lourd, est relativement simple à réaliser et fournit des informations très fiables quant à savoir si cette variante du support carboné est également adaptée ou non à d’autres réactions chimiques. »
Être capable d’expliquer les processus au niveau atomique devrait désormais permettre d’économiser du temps et de l’argent dans l’utilisation industrielle et de simplifier l’assurance qualité.
Plus d’informations :
Thomas Wicht et al, Rôle de l’hydrogène interfacial dans l’hydrogénation de l’éthylène sur des catalyseurs Ag, Au et Cu sur support graphite, Catalyse ACS (2024). DOI : 10.1021/acscatal.4c05246