La renaissance de l’or noir et de la lumière solaire

Le groupe du professeur Polshettiwar de l’Institut Tata de recherche fondamentale (TIFR) de Mumbai a développé un nouveau « catalyseur de réduction plasmonique stable dans l’air », défiant l’instabilité courante des catalyseurs de réduction en présence d’air. Le catalyseur fusionne des amas de ruthénium dopés au platine avec de « l’or noir plasmonique ». Cet or noir capte efficacement la lumière visible et génère de nombreux points chauds grâce au couplage plasmonique, améliorant ainsi ses performances catalytiques.

L’équipe décrit son travail dans un article publié dans la revue Communications naturelles.

Ce qui distingue ce catalyseur, c’est sa performance remarquable dans la semi-hydrogénation de l’acétylène, un procédé industriel important. En présence d’un excès d’éthylène et en utilisant uniquement un éclairage par lumière visible sans aucun chauffage externe, le catalyseur a atteint un taux de production d’éthylène de 320 mmol g−1 h−1 avec une sélectivité d’environ 90 %. Cette efficacité surpasse tous les catalyseurs thermiques plasmoniques et traditionnels connus.

Étonnamment, ce catalyseur ne présente ses meilleures performances que lorsque de l’air est introduit à côté des réactifs. Cette exigence unique conduit à une stabilité sans précédent pendant au moins 100 heures. Les chercheurs attribuent cela aux processus simultanés de réduction et d’oxydation médiés par les plasmons sur les sites actifs au cours de la réaction.

Améliorant encore notre compréhension de ce catalyseur, les simulations dans le domaine temporel par différences finies (FDTD) ont révélé une multiplication par cinq du champ électrique par rapport au DPC vierge. Cette amélioration du champ, due au couplage en champ proche entre les nanoparticules RuPt et le DPC, joue un rôle crucial dans l’activation des liaisons chimiques. L’efficacité du catalyseur est également évidente dans son effet isotopique cinétique (KIE), qui est plus important à la lumière que dans l’obscurité, à toutes les températures.

Cela indique le rôle important des effets non thermiques parallèlement à l’activation photothermique des réactifs. Des études approfondies in situ DRIFTS et DFT ont fourni un aperçu du mécanisme de réaction à la surface de l’oxyde, mettant particulièrement en évidence le rôle des intermédiaires dans la sélectivité. La surface partiellement oxydée du catalyseur RuPt génère de l’acétylène à liaison di-σ, qui se transforme ensuite en plusieurs étapes pour produire de l’éthène.

Cette recherche marque le premier rapport sur un catalyseur hautement efficace, stabilisé à l’air et activé par plasmonique pour la semi-hydrogénation de l’acétylène, avec des applications potentielles dans diverses autres réactions de réduction. Les résultats offrent des contributions significatives à la compréhension de la catalyse plasmonique et ouvrent la voie au développement de systèmes catalytiques durables et économes en énergie.