Le contrôle de la phase cristalline des nanoparticules de cobalt conduit à des performances catalytiques exceptionnelles dans les processus d’hydrogénation, rapportent des scientifiques de Tokyo Tech.
Produites par une méthode innovante de synthèse assistée par hydrosilane, ces nanoparticules réutilisables à phase contrôlée permettent l’hydrogénation sélective de divers composés dans des conditions douces sans utiliser de gaz nocifs comme l’ammoniac. Ces efforts pourraient conduire à des processus catalytiques plus durables et plus efficaces dans de nombreux domaines industriels.
L’hydrogénation, c’est-à-dire la réaction chimique de l’hydrogène gazeux avec un autre composé, est fondamentale dans des secteurs tels que l’alimentation, les produits pharmaceutiques, les matériaux et la pétrochimie.
Traditionnellement, les métaux nobles comme le palladium et le rhodium servent de catalyseurs dans ces réactions. Cependant, ces matériaux sont rares et coûteux, et leur extraction est entachée de préoccupations environnementales. De plus, ils nécessitent des conditions hautement contrôlées et à forte consommation d’énergie pour fonctionner efficacement.
Ces dernières années, le cobalt est apparu comme une alternative prometteuse aux catalyseurs à base de métaux nobles pour l’hydrogénation. Les nanoparticules de cobalt (Co NPs) peuvent catalyser efficacement les réactions d’hydrogénation, nécessitant des températures et des pressions plus basses que les catalyseurs à base de métaux nobles.
Malgré l’importance théorique de la phase cristalline des NP de Co dans leurs performances catalytiques, son étude a été difficile en raison du manque de méthodes pour produire des NP de Co avec une phase cristalline spécifique de taille similaire.
Heureusement, une équipe de recherche de l’Institut de technologie de Tokyo et de l’Université métropolitaine d’Osaka a trouvé une solution à ce problème. Comme le rapporte leur dernière étude, publié dans le Journal de la Société américaine de chimieils ont conçu une nouvelle méthode pour produire sélectivement des Co NP avec deux phases cristallines très distinctes de manière pratique et cohérente.
« Nous avons précédemment rapporté que les nanoparticules de nickel peuvent être facilement synthétisées par la réduction de complexes de nickel en présence d’hydrosilanes grâce à une technique que nous avons baptisée la méthode assistée par hydrosilane », explique le professeur Michikazu Hara, qui a dirigé l’étude.
« Nous avons émis l’hypothèse que les hydrosilanes agiraient non seulement comme agents réducteurs pour les cations Co, mais aussi comme ligands sur les complexes métalliques pour contrôler la croissance des particules métalliques. Par conséquent, nous avons tenté de synthétiser des nanoparticules de Co avec une phase cristalline contrôlée via la simple addition de composés de coordination appropriés et de solvants diols spécifiques. »
Grâce à des tests minutieux, l’équipe de recherche a constaté que ses prédictions étaient exactes et que la méthode assistée par hydrosilane pouvait produire de manière fiable deux types de NP de Co en fonction des conditions de réaction : des NP de Co cubiques à faces centrées (fcc) et des NP de Co hexagonales compactes (hcp). Ils ont ensuite mené plusieurs expériences d’hydrogénation pour explorer les différences de performances catalytiques entre les deux types de NP de Co.
Il est intéressant de noter qu’ils ont observé que les NP hcp-Co étaient bien supérieures aux NP fcc-Co. Dans l’hydrogénation du benzonitrile en benzylamine, les NP hcp-Co ont atteint une sélectivité beaucoup plus élevée, affichant un rendement de 97 % par rapport aux 80 % des NP fcc-Co.
De plus, l’hydrogénation à l’aide de nanoparticules de hcp-Co nécessitait une pression environ deux fois moins élevée que celle des nanoparticules de fcc-Co, ce qui rendait l’ensemble du processus plus économe en énergie. Cette prouesse remarquable ne se limite pas à la production de benzylamine uniquement, comme le dit Hara : « Il convient de noter que le système catalytique à base de nanoparticules de Co proposé s’est montré compatible avec une gamme variée de nitriles et de composés carbonylés. »
Considérant que le cobalt est abondant et que le catalyseur à base de Co NP proposé est réutilisable et ne nécessite pas de gaz nocifs tels que l’ammoniac, ce travail pourrait servir de tremplin vers des technologies d’hydrogénation plus durables et plus rentables.
Cela pourrait à son tour réduire le prix et l’impact environnemental de nombreux produits industriels, de médicaments et même de produits alimentaires, conduisant ainsi à un avenir globalement meilleur pour l’humanité de multiples façons.
Plus d’information:
He Jiang et al., Réglage de la sélectivité de l’hydrogénation catalytique du nitrile avec des nanoparticules de Co à phase contrôlée préparées par la méthode assistée par hydrosilane, Journal de la Société américaine de chimie (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c04780