Concevoir plus rapidement de meilleurs catalyseurs
Publié par Redbran le 14/10/2015 à 12:00
Source: CNRS
C'est une étape clé vers des véhicules à hydrogène démocratisés, des pots catalytiques plus efficaces, des usines plus propres... Des chercheurs ont mis au point une méthode simple et rapide pour améliorer l'efficacité d'une famille de catalyseurs, ces composés, indispensables à l'industrie, qui facilitent les réactions chimiques. Cette avancée est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) d'une collaboration entre chimistes théoriciens du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et physiologiste...) Lyon 1) et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation...) de Leiden (Pays-Bas), et chimistes expérimentateurs de l'université technique de Munich et de l'université de la Ruhr à Bochum (Allemagne). Leurs travaux sont publiés dans la revue Science le 9 octobre 2015.


Nanoparticule de catalyseur contenant différents types de sites. Les nombres de coordination sont, pour le site C (au centre d'une face hexagonale) 9 voisins jaunes [6 autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) dans la facette et 3 en dessous] ; pour le site E (sur une arête entre deux faces hexagonales) 7 voisins verts [6 autour et 1 dessous] ; pour le site K (en coin entre 3 faces): 6 voisins violets [5 autour et 1 dessous]. Les atomes sur les arêtes et sur les faces sont représentés en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus sombre comme le...) clair et bleu foncé respectivement. Chaque site contribue différemment à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique totale en vertu de son nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de voisins. (Il faut en fait prendre en compte à la fois les voisins directs et les voisins de ces voisins.)
© D. Loffreda – CNRS/ENS Lyon.

Les catalyseurs sont des substances ou des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) qui, par leur interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec des réactifs, minimisent l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nécessaire aux réactions chimiques et favorisent la formation des produits désirés. L'industrie chimique en dépend presque entièrement, et il en résulte un surplus commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) estimé à 50 milliards d'euros en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent...) (1). Au-delà de l'aspect économique, les dispositifs catalytiques tels que ceux embarqués dans les pots (POTS est un sigle anglais qui signifie Plain Old Telephone System que l'on peut traduire en français par le bon vieux téléphone. Dans certains pays on parle de réseau fixe ou de téléphone fixe. Il s'agit en fait des services rendus par...) d'échappement des véhicules diminuent l'impact polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain...) des moteurs à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.). En outre, si peu de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des...) équipées de piles à hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (2) ont été lancées sur le marché alors qu'elles n'émettent pas de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles...), c'est notamment parce que les catalyseurs de piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de...) ne sont pas encore véritablement au point (Graphie) s'agissant de leur fonctionnement dans la durée. Développer des catalyseurs plus efficaces est donc un enjeu de taille.

Les catalyseurs sont souvent constitués de petites particules métalliques de quelques nanomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...). Leur efficacité dépend de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique. Jusqu'à présent, pour améliorer un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs...), les chimistes n'avaient à leur disposition qu'un indice: la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) d'interaction optimale entre le réactif et le catalyseur. Ensuite, ils devaient procéder par tâtonnement, faute de relation entre cette valeur et la structure que devaient présenter les particules de catalyseur pour l'atteindre. Il leur fallait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) en revue de grandes bases de données à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) des meilleurs candidats, puis tester de nombreuses possibilités de structure du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) jusqu'à parvenir à la force d'interaction adéquate.

Aujourd'hui, une équipe internationale de chimistes a mis au point une nouvelle approche, permettant de déterminer la structure optimale du site catalytique (site d'interaction entre le catalyseur et le réactif), pour un catalyseur de composition chimique donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) (par exemple, du platine). Et cette approche repose sur un concept chimique simple: le nombre de coordination, qui désigne le nombre de voisins d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) appartenant au catalyseur et qui se calcule simplement en les décomptant. En effet, les chercheurs ont montré qu'il existe une relation entre l'activité d'un site catalytique et ce nombre de coordination (voir figure).

Ils ont ensuite validé expérimentalement cette approche en concevant un nouveau type de catalyseur au platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) pouvant être utilisé dans les piles à combustible. L'efficacité maximale a été prédite pour des sites avec un nombre de coordination plus élevé que pour le catalyseur de référence, c'est-à-dire situés dans une cavité creusée dans la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de platine. Après avoir créé des cavités sur une surface modèle de platine par trois méthodes différentes, les résultats ont été sans appel: l'efficacité catalytique a été multipliée jusqu'à 3,5 fois.

Ces travaux devraient donc permettre de diminuer les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de développement de catalyseurs. Ils ouvrent la voie au développement de piles à combustible commercialement performantes, à une utilisation plus large de l'hydrogène comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) propre et plus généralement, à terme, à l'optimisation de nombreux processus industriels.

Cette étude conjointe a bénéficié du soutien d'un contrat européen du FP7 (2007-2013) via sa cellule FCHJT (contrat n°303419, PUMA MIND), de la Netherlands Organization for Scientific Research (projet Veni n°722.014.009), du Cluster d'excellence RESOLV (EXC 1069) financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft, de la Helmholtz-Energie-Allianz (HAE-0002), du Sonderforschungsbereich 749 (SFB 749) et du Cluster d'excellence "Nanosystems Initiative Munich".

Notes:

(1) Source: Chlorine Industry Review 2012-2013. Euro Chlor, Belgium, 2013. http://www.eurochlor.org.
(2) Un véhicule à hydrogène (La notion de véhicule à hydrogène désigne tout moyen de transport qui utilise une transformation chimique de hydrogène comme énergie de propulsion.) combine moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) électrique et production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) dans une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode...) à partir d'une source de dihydrogène et du dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude,...). Jusqu'à présent, l'efficacité des piles à combustible est limitée par celle de la réaction de réduction du dioxygène, pour laquelle les catalyseurs ne sont pas encore assez performants.
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