Les engrais synthétiques, l’un des développements les plus importants de l’agriculture moderne, ont permis à de nombreux pays d’assurer un approvisionnement alimentaire stable. Parmi elles, les urées organiques (ou organourées) sont devenues d’importantes sources d’azote pour les cultures. Étant donné que ces composés ne se dissolvent pas immédiatement dans l’eau, mais sont lentement décomposés par les micro-organismes du sol, ils fournissent un apport stable et contrôlé d’azote, essentiel à la croissance et au fonctionnement des plantes.
Cependant, les méthodes traditionnelles de synthèse des organo-urées sont nocives pour l’environnement en raison de leur utilisation de substances toxiques, telles que le phosgène. Bien que des stratégies de synthèse alternatives aient été démontrées, celles-ci reposent soit sur des métaux nobles coûteux et rares, soit sur des catalyseurs qui ne peuvent pas être facilement réutilisés.
Dans un effort récent pour relever ces défis, une équipe de recherche comprenant le professeur honoraire Hideo Hosono de l’Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a exploité les propriétés quantiques du séléniure de bismuth (Bi2Se3) pour synthétiser des organourées. Leur étude est publiée dans Avancées scientifiques.
Les chercheurs ont cherché à tirer parti du fait que Bi2Se3 est un isolant topologique. Sa surface extrêmement robuste possède des propriétés électroniques uniques, ce qui en fait un candidat lucratif pour les applications catalytiques. En conséquence, l’équipe a préparé des nanoparticules Bi2Se3 pour maximiser la surface du catalyseur.
Ils ont exploité sa ténacité de surface et ses grandes interactions spin-orbite pour produire divers dérivés organiques de l’urée à partir de deux molécules d’amine, ainsi que du monoxyde de carbone (CO) et de l’oxygène (O2), atteignant dans de nombreux cas un rendement de près de 100 % à température ambiante.
Pour faire la lumière sur le mécanisme réactionnel, l’équipe a étudié les états de surface du Bi2Se3 au moyen de simulations moléculaires. L’une des étapes clés du processus de synthèse était l’élimination de l’atome d’hydrogène des amines, afin qu’elles puissent ensuite être reliées entre elles par un groupe –CO.
Les chercheurs ont découvert que les molécules d’O2 se lient de manière stable aux atomes de Bi sur la surface (015) de Bi2Se3, ce qui modifie leur état de spin de triplet à singulet. Cela provoque la dissociation des molécules d’O2. Les groupes oxygène dissociés adsorbés extraient l’hydrogène des amines liées au Se, laissant place à la réaction CO-amine.
« Nous avons constaté que l’état de spin de la molécule d’O2 est modifié de triplet à singulet par le champ magnétique local résultant de la forte interaction spin-orbite de Bi et que le singulet O2 avec une réactivité beaucoup plus élevée extrait l’hydrogène de l’amine, réduisant ainsi la barrière énergétique. pour la réaction souhaitée », explique le professeur Hosono.
« Cet effet catalytique est le résultat des caractéristiques uniques des matériaux topologiques et du choix approprié des éléments Bi et Se pour cette réaction. »
L’activité du catalyseur Bi2Se3 dépassait celle des autres composés contenant du Se, ainsi que celle de la plupart des catalyseurs à base de métaux de transition existants. La surface des nanoparticules de catalyseur proposées était également remarquablement stable, grâce à ses caractéristiques topologiques.
« La recyclabilité d’un catalyseur est l’une de ses propriétés les plus critiques pour des applications pratiques. Le catalyseur Bi2Se3 proposé pourrait être réutilisé au moins 20 fois sans perte évidente d’activité catalytique, alors que les rendements des autres catalyseurs à base de Se diminuaient continuellement », explique le professeur. .Hosono.
Ces travaux fournissent non seulement une solution viable aux défis associés à la synthèse de l’urée, mais mettent également en valeur le potentiel d’exploitation des propriétés quantiques spécifiques des matériaux pour diverses applications nouvelles, notamment les pratiques agricoles durables.
Plus d’information:
Jiang Li et al, Isolant topologique comme catalyseur efficace pour la carbonylation oxydative des amines, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adh9104