Les ingénieurs s’appuient sur les catalyseurs pour une vaste gamme d’applications allant de la fabrication alimentaire à la production chimique. Trouver des catalyseurs efficaces et respectueux de l’environnement est donc une voie de recherche importante.
De nouvelles recherches menées par la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh pourraient conduire à la création de nouveaux catalyseurs durables à base d’oxyde de tungstène et de composés similaires.
Le projet a utilisé des simulations informatiques pour comprendre comment l’oxyde de tungstène interagit avec l’hydrogène au niveau moléculaire et les résultats ont été vérifiés par des expérimentations en laboratoire.
Un article détaillant les résultats a récemment été présenté sur la couverture du Journal de l’American Chemical Society (JAC) et a été dirigé par une équipe du Département de génie chimique et pétrolier : Ph.D. Le candidat Evan V. Miu, le professeur adjoint James McKone et le professeur agrégé et Giannis Mpourmpakis, membre du corps professoral des anciens du bicentenaire.
« L’oxyde de tungstène est un catalyseur qui peut être utilisé pour accélérer les conversions chimiques durables en utilisant la lumière du soleil ou l’électricité renouvelable. Ce composé chimique a une façon unique d’interagir avec les atomes d’hydrogène qui le rend particulièrement efficace pour participer aux réactions chimiques où l’hydrogène doit être produit. ou utilisé », a déclaré Mpourmpakis.
« Les types de réactions chimiques qui nous passionnent le plus incluent l’utilisation de l’hydrogène pour extraire le dioxyde de carbone – le principal responsable du réchauffement climatique – et le transformer en carburants et produits chimiques utiles », a ajouté McKone.
Alors que la plupart des catalyseurs n’interagissent qu’avec des molécules comme l’hydrogène à leur surface, l’oxyde de tungstène peut également insérer de l’hydrogène dans son réseau cristallin tridimensionnel. La modélisation avancée des chercheurs a pu montrer que ce processus a un impact énorme sur ce qui se passe réellement à la surface du catalyseur.
Le travail ouvre la possibilité de concevoir une toute nouvelle famille de catalyseurs à base d’oxyde de tungstène et de composés similaires, en utilisant l’approche informatique de l’équipe pour prédire leurs propriétés catalytiques.
« Ce n’est pas exagéré de dire que nous pouvons tracer une ligne droite entre la science subtile contenue dans cette étude et la possibilité de réinventer une grande partie de la fabrication de produits chimiques pour la rendre plus durable sur le plan environnemental », a déclaré McKone. « Nous pouvons concevoir des catalyseurs pour fournir de l’hydrogène de la bonne manière pour effectuer des conversions chimiques qui fonctionnent avec de l’eau et de l’électricité aussi efficacement que ce que nous faisons aujourd’hui en utilisant des combustibles fossiles. »
Ce projet était une collaboration entre le laboratoire CANELa de Mpourmpakis et le laboratoire McKone, où l’auteur principal Miu est un boursier diplômé de la NSF travaillant sur le pontage de la catalyse thermique et électrique en appliquant des méthodes expérimentales et informatiques.
« Travailler avec les professeurs Mpourmpakis et McKone m’a donné une opportunité incroyable d’opérer à l’interface de la théorie et de l’expérience », a déclaré Miu. « Ces perspectives complémentaires nous ont aidés à comprendre en profondeur comment les bronzes d’oxydes métalliques catalysent l’hydrogène, et nous sommes ravis d’appliquer nos découvertes et de faire des pas significatifs vers des processus chimiques plus durables. »
Evan V. Miu et al, La sensibilité de l’électrocatalyse des oxydes métalliques à l’intercalation d’hydrogène en vrac : évolution de l’hydrogène sur l’oxyde de tungstène, Journal de l’American Chemical Society (2022). DOI : 10.1021/jacs.2c00825