Des chimistes dévoilent le mécanisme de réaction d’un catalyseur d’énergie propre

L’hydrogène, l’élément le plus simple sur Terre, est un carburant propre qui pourrait révolutionner l’industrie de l’énergie. L’accès à l’hydrogène, cependant, n’est pas du tout un processus simple ou propre. L’hydrogène pur est extrêmement rare dans la nature et les méthodes pratiques pour le produire reposent actuellement sur des combustibles fossiles. Mais si les scientifiques trouvent le bon catalyseur chimique, capable de séparer l’hydrogène et l’oxygène des molécules d’eau, de l’hydrogène pur pourrait être produit à partir de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire.

Maintenant, les scientifiques sont sur le point de trouver ce catalyseur. Des chimistes de l’Université du Kansas et du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont dévoilé l’intégralité du mécanisme de réaction d’une classe clé de catalyseurs de séparation de l’eau. Leur travail a été publié aujourd’hui dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

« Il est très rare que vous puissiez avoir une compréhension complète d’un cycle catalytique complet », a déclaré le chimiste de Brookhaven, Dmitry Polyansky, co-auteur de l’article. « Ces réactions passent par de nombreuses étapes, dont certaines sont très rapides et ne peuvent pas être facilement observées. »

Les étapes intermédiaires rapides rendent difficile pour les scientifiques de déchiffrer exactement où, quand et comment se produisent les parties les plus importantes d’une réaction catalytique et, par conséquent, si le catalyseur convient à des applications à grande échelle.

À l’Université du Kansas, le professeur agrégé James Blakemore recherchait des candidats potentiels lorsqu’il a remarqué quelque chose d’inhabituel à propos d’un catalyseur en particulier. Ce catalyseur, appelé complexe de pentaméthylcyclopentadiényl rhodium, ou complexe Cp*Rh, démontrait une réactivité dans un domaine où les molécules sont généralement stables.

« Les complexes métalliques – des molécules qui contiennent un centre métallique entouré d’un échafaudage organique – sont importants pour leur capacité à catalyser des réactions autrement difficiles », a déclaré Blakemore, qui est également co-auteur de l’article. « En règle générale, la réactivité se produit directement au centre du métal, mais dans notre système d’intérêt, l’échafaudage du ligand semble participer directement à la chimie. »

Alors, qu’est-ce qui réagissait exactement avec le ligand ? L’équipe a-t-elle vraiment observé une étape active dans le mécanisme de réaction ou simplement une réaction secondaire indésirable ? Quelle était la stabilité des produits intermédiaires qui ont été fabriqués ? Pour répondre à de telles questions, Blakemore a collaboré avec des chimistes de Brookhaven Lab pour utiliser une technique de recherche spécialisée appelée radiolyse pulsée.

La radiolyse pulsée exploite la puissance des accélérateurs de particules pour isoler des étapes rapides et difficiles à observer dans un cycle catalytique. L’Accelerator Center for Energy Research (ACER) de Brookhaven est l’un des deux seuls endroits aux États-Unis où cette technique peut être menée, grâce au complexe d’accélérateurs de particules avancé du laboratoire.

« Nous accélérons les électrons, qui transportent une énergie importante, à des vitesses très élevées », a déclaré le chimiste de Brookhaven David Grills, un autre co-auteur de l’article. « Lorsque ces électrons traversent la solution chimique que nous étudions, ils ionisent les molécules de solvant, générant des espèces chargées qui sont interceptées par les molécules de catalyseur, dont la structure se modifie rapidement. Nous utilisons ensuite des outils de spectroscopie résolue en temps pour surveiller la réactivité chimique. après que ce changement rapide se soit produit. »

Les études spectroscopiques fournissent des données spectrales, qui peuvent être considérées comme les empreintes digitales de la structure d’une molécule. En comparant ces signatures à des structures connues, les scientifiques peuvent déchiffrer les changements physiques et électroniques dans les produits intermédiaires de courte durée des réactions catalytiques.

« La radiolyse pulsée nous permet de distinguer une étape et de l’examiner sur une très courte échelle de temps », a déclaré Polyansky. « L’instrumentation que nous avons utilisée peut résoudre des événements entre un millionième et un milliardième de seconde. »

En combinant la radiolyse pulsée et la spectroscopie résolue en temps avec des techniques d’électrochimie et d’écoulement arrêté plus courantes, l’équipe a pu déchiffrer chaque étape du cycle catalytique complexe, y compris les détails de la réactivité inhabituelle se produisant au niveau de l’échafaudage du ligand.

« L’une des caractéristiques les plus remarquables de ce cycle catalytique était l’implication directe des ligands », a déclaré Grills. « Souvent, cette zone de la molécule n’est qu’un spectateur, mais nous avons observé une réactivité au sein des ligands qui n’avait pas encore été prouvée pour cette classe de composés. Nous avons pu montrer qu’un groupement hydrure, un produit intermédiaire de la réaction, sautait sur le ligand Cp *. Cela a prouvé que le ligand Cp * était une partie active du mécanisme de réaction.

La capture de ces détails chimiques précis permettra aux scientifiques de concevoir beaucoup plus facilement des catalyseurs plus efficaces, stables et rentables pour produire de l’hydrogène pur.

Les chercheurs espèrent également que leurs découvertes fourniront des indices pour déchiffrer les mécanismes de réaction pour d’autres classes de catalyseurs.

« En chimie, des découvertes comme les nôtres peuvent souvent être généralisées et appliquées pour optimiser d’autres systèmes, mais l’obtention de détails critiques sur la réactivité rapide, comme nous l’avons fait ici, est une étape clé », a déclaré Blakemore. « Nous espérons que d’autres groupes de recherche prendront nos idées et s’appuieront sur elles, peut-être en utilisant la réactivité favorisée par le ligand pour construire de meilleurs catalyseurs. »

Cette étude n’est qu’une série d’expériences parmi un grand nombre de travaux sur l’énergie propre menés par des scientifiques de l’Université du Kansas et du Brookhaven Lab.

« Nous construisons les connaissances chimiques fondamentales qui, un jour, aideront les scientifiques à concevoir le catalyseur optimal pour produire de l’hydrogène pur », a déclaré Polyansky.