Les catalyseurs, composés qui accélèrent et accélèrent les réactions chimiques, sont utilisés dans la production de la plupart des produits chimiques que les gens utilisent quotidiennement, comme l’essence, les engrais et même la margarine. Le problème? Beaucoup de ces processus catalytiques nécessitent une énorme quantité d’énergie, souvent sous forme de chaleur, et génèrent des sous-produits nocifs. De plus, la plupart de ces produits sont encore fabriqués à partir de combustibles fossiles.
Des chercheurs de l’Université de Lehigh aux États-Unis et de l’Université de Cardiff au Royaume-Uni ont mis au point une technique de catalyse bimétallique utilisant des nanoparticules d’or et de palladium sur un support conducteur qui pourrait conduire à de nouvelles voies de conception pour une production plus verte de carburants et de produits chimiques biodérivés renouvelables.
Les résultats de cette collaboration sont décrits dans un article, « Au–Pd separation enhances bimetallic catalysis of alcohol oxygen » publié récemment dans la revue Nature. Les auteurs incluent, de Lehigh : Steven McIntosh, Département de génie chimique et biomoléculaire, et Christopher Kiely, Département de science et génie des matériaux ; et, de Cardiff : Graham J. Hutchings, Max Planck-Cardiff Center on the Fundamentals of Heterogeneous Catalysis FUNCAT.
L’or et le palladium sont parmi les éléments les plus prometteurs utilisés dans les catalyseurs pour la valorisation des molécules bio-dérivées en produits chimiques utiles. L’astuce est que chaque élément est actif pour différentes étapes de réaction dans le processus de mise à niveau, explique McIntosh. Dans ce cas, l’or est actif pour la déshydrogénation de l’alcool mais pas actif pour la réduction de l’oxygène. Le palladium est le contraire. Ces éléments sont souvent combinés en particules uniques pour créer un catalyseur de « compromis », dit-il.
McIntosh et ses collègues ont découvert une amélioration inattendue de l’activité du catalyseur bimétallique en utilisant ces deux éléments qui est attribuable aux particules de chaque élément « parlant » entre elles via le transfert d’électrons à travers le support conducteur. Ils démontrent comment, en séparant les composants d’or et de palladium dans des catalyseurs bimétalliques supportés par du carbone, ils ont atteint presque le double de la vitesse de réaction par rapport à celle obtenue avec le catalyseur d’alliage correspondant.
« Il y a eu une augmentation spectaculaire du taux – au-dessus du taux de chacun séparément – lorsque les deux différents types de particules ont été placés ensemble sur un support conducteur permettant le transfert d’électrons entre eux », explique McIntosh. « Pour comprendre pourquoi cela se produit, il a fallu une énorme quantité de recherches très approfondies, vérifier et revérifier les hypothèses jusqu’à ce que nous parvenions aux conclusions présentées dans cet article. »
La collaboration a réuni l’électrocatalyse et la catalyse thermique pour comprendre et concevoir de nouveaux systèmes catalytiques.
« Cette approche hybride signifiait que nous pouvions non seulement comprendre où se trouvaient les particules sur les matériaux de support, mais également utiliser des techniques électrochimiques pour démontrer le mécanisme et les forces motrices de ce processus », explique McIntosh.
Cette découverte pourrait ouvrir la voie à la conception et à la compréhension de systèmes de catalyseurs bimétalliques similaires pour un large éventail de réactions, déclare McIntosh, ajoutant : « Elle a le potentiel de changer la façon dont les experts envisagent la conception et la création de ces catalyseurs pour de nombreuses applications, dans dans ce cas, pour la production verte de produits chimiques et de carburants biodérivés. »
Xiaoyang Huang et al, la séparation Au-Pd améliore la catalyse bimétallique de l’oxydation de l’alcool, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04397-7