Une grande collaboration internationale dirigée par le professeur Shizhang Qiao, un lauréat australien de l’Université d’Adélaïde, a développé une approche de synthèse simple et rentable utilisant une technique d’impression 3D pour produire des catalyseurs à un seul atome (SAC) – ouvrant potentiellement la voie à de grands production commerciale à grande échelle avec de larges applications industrielles.
La recherche a été publiée dans Synthèse naturelle.
L’équipe a envoyé des échantillons au synchrotron australien pendant le verrouillage du COVID pour la caractérisation des matériaux à l’aide de la ligne de lumière de spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS).
Un catalyseur est une substance conçue pour provoquer une réaction chimique spécifique afin de convertir des produits chimiques en d’autres produits industriels de valeur moins nocifs. L’efficacité avec laquelle un catalyseur donné facilite la réaction est souvent déterminée par sa surface.
Par exemple, une feuille de cobalt métallique en vrac peut aider aux réductions chimiques, mais le même nombre d’atomes de cobalt sous forme de nanoparticules serait nettement plus efficace compte tenu de la plus grande surface disponible pour que la réaction ait lieu.
Pris à l’extrême, les catalyseurs à un seul atome (SAC) font référence à des atomes de métal individuels, ne se liant pas au métal mais souvent dispersés uniformément sur un substrat fixe (tel que le carbone), offrant la valeur la plus élevée possible d’économie d’atome.
L’économie d’atomes idéale, connue sous le nom d’économie d’atomes à 100%, pour une réaction chimique est un processus dans lequel tous les atomes réactifs se trouvent dans le produit souhaité.
Les atomes de métal isolés ont des propriétés physiques et chimiques uniques et nouvelles, entraînant des réactions catalytiques efficaces et personnalisées avec une activité catalytique extrêmement élevée.
Cependant, les méthodes de production actuelles des procédés chimiques par voie humide, de l’abrasion mécano-chimique, des ondes de choc thermiques et de l’irradiation laser sont considérées comme complexes, coûteuses et peu pratiques pour la production de masse.
« Nous avons développé une approche de synthèse qui permet l’utilisation de l’impression 3D pour fabriquer des catalyseurs à un seul atome. Notre méthode a le potentiel d’être plus rentable et plus simple que les approches actuelles », a expliqué le professeur Qiao.
L’impression 3D permet la personnalisation de conceptions géométriques du millimètre au mètre, ce qui est important pour les applications industrielles.
La combinaison de l’impression 3D et des catalyseurs à un seul atome offre un moyen prometteur mais simplifié de fabriquer des SAC à différentes échelles.
« Cette nouvelle combinaison a le potentiel de faire progresser le statut de l’Australie en tant que leader mondial dans la lutte contre les effets du changement climatique et de nous aider à prendre la tête de nouvelles techniques pour fabriquer des produits chimiques qui profitent à la société », a déclaré le professeur Qiao.
Le scientifique principal, le Dr Bernt Johannessen, également co-auteur de l’article et collaborateur de longue date, a effectué des mesures sur la ligne de lumière XAS pour l’équipe de recherche sur plusieurs allocations de temps de faisceau (et plusieurs verrouillages COVID).
« De manière agréable, nous avons pu confirmer que la technique d’impression 3D avait produit un matériau constitué de sites d’atomes uniques isolés par opposition à des nanoparticules ou des grappes d’atomes. L’instrument nous permet de différencier la liaison du cobalt à des éléments légers, comme le carbone, ou le cobalt se liant à d’autres cobalts pour former des nanoparticules », a confirmé le Dr Johannessen.
« Plus vous avez de grands clusters, moins ils seront efficaces en tant que catalyseurs à un seul atome, de sorte que la confirmation de la nature isolée des sites à un seul atome est cruciale pour les conclusions du projet et les applications industrielles potentielles.
« La ligne de faisceau XAS de l’ANSTO a fait partie intégrante d’un certain nombre d’études de haut niveau dans ce domaine au cours des dernières années, et nous sommes impatients de voir comment notre communauté d’utilisateurs continuera de croître au cours des années à venir. »
Plus d’information:
Fangxi Xie et al, Une approche générale des catalyseurs à un seul atome imprimés en 3D, Synthèse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44160-022-00193-3