À la recherche du « Saint Graal » en catalyse

Dans le domaine de la catalyse, le terme réactions du « Saint Graal » fait référence aux réactions qui ont une valeur scientifique, économique et environnementale significative pour l’avenir de l’humanité. Ces réactions exploitent des ressources abondantes et facilement disponibles sur Terre, telles que le méthane (CH4), l’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et l’azote (N2), pour produire divers produits chimiques précieux.

Malgré leur importance, ces réactions souffrent souvent de faibles taux de conversion et d’une mauvaise sélectivité en raison de l’inertie chimique des réactifs et de la réactivité relativement élevée des produits. Développer de nouveaux catalyseurs pour abaisser la barrière énergétique d’activation reste un défi de taille.

Les catalyseurs à atome unique (SAC), qui contiennent des atomes métalliques uniques partiellement chargés avec des structures bien définies et accordables, représentent une classe prometteuse de catalyseurs hétérogènes. Le développement de nouveaux SAC peut non seulement améliorer l’efficacité de l’utilisation atomique des métaux actifs, mais également favoriser une compréhension plus approfondie des mécanismes de réaction et des relations structure-activité.

Ces dernières années, les SAC émergents ont été adoptés dans ces réactions difficiles du « Saint Graal », dans le but d’améliorer la conversation et la sélectivité et/ou de permettre des conditions de réaction plus douces.

Dans ce contexte, le professeur Ning Yan (Université nationale de Singapour), le professeur Tao Zhang (Institut de physique chimique de Dalian, CAS) et leurs collègues ont publié une perspective qui évalue les dernières applications des SAC dans cinq réactions du « Saint Graal » : oxydation partielle du méthane en méthanol, couplage non oxydant du méthane, division photocatalytique de l’eau, réduction photocatalytique du CO2 et réduction de l’azote. La perspective a été publiée dans Journal chinois de catalyse

Les SAC avec des sites métalliques à un seul atome structurellement bien définis possèdent des structures géométriques et électroniques spéciales, qui interagissent avec des molécules inertes et régulent avec précision le processus de conversion, permettant ainsi une production sélective du produit recherché. Certains SAC sont composés d’un support défini au niveau moléculaire et d’environnements de coordination unifiés, agissant comme des catalyseurs modèles idéaux pour des études mécanistiques approfondies lorsqu’ils sont combinés à des techniques spectroscopiques avancées et au calcul DFT.

Parallèlement, de nouveaux matériaux catalytiques tels que les catalyseurs multi-sites, contenant deux sites à atome unique avec des structures de coordination différentes, ou un site à atome unique et d’autres sites non-atomiques, peuvent faciliter l’activation de plusieurs espèces, induisant des effets promotionnels synergiques sur l’organisme. réaction.

Les orientations futures potentielles dans ce domaine incluent une exploration plus approfondie des mécanismes et des relations structure-activité, l’exploitation des technologies de l’information avancées pour un criblage efficace des catalyseurs, la conception de nouveaux sites catalytiques pour élargir le champ d’application des matériaux catalytiques et l’amélioration de la stabilité des SAC dans les conditions de travail.