Les catalyseurs à atomes uniques transforment l’hydrogénation, améliorant la production alimentaire et carburant

Une réaction chimique vitale pour une gamme de biens commerciaux et industriels pourrait bientôt être initiée plus efficacement et moins intensivement grâce à une collaboration qui comprenait les chercheurs du Oregon State University College of Engineering.

L’étude, publiée dans Natureimplique hydrogénation—Adding de la molécule d’hydrogène diatomique, H₂à d’autres composés.

« L’hydrogénation est une réaction critique et diversifiée utilisée pour créer des produits alimentaires, des carburants, des produits chimiques des produits de base et des produits pharmaceutiques », a déclaré Zhenxing Feng, professeur agrégé de génie chimique. « Cependant, pour que la réaction soit économiquement viable, un catalyseur tel que le palladium ou le platine est invariablement nécessaire pour augmenter son taux de réaction et donc un coût inférieur. »

Feng, les doctorants OSU Alvin Chang et Mason Lyons et les chercheurs de quatre établissements de Chine ont plongé profondément catalyseurs à atomes simples; Un catalyseur est tout ce qui accélère la vitesse d’une réaction chimique sans être consommée par la réaction, et un catalyseur à atomes uniques est celui dans lequel les sites catalytiques métalliques existent sous forme d’atomes uniques isolés sur un substrat de support.

« Les SAC sont une étoile montante parmi les catalyseurs d’hydrogénation et démontrent d’excellentes activités catalytiques par rapport aux catalyseurs de nanoparticules », a déclaré Feng. « Les interactions entre le catalyseur métallique et le matériau de support conduisent à des synergies uniques qui s’améliorent activité catalytique et la stabilité, mais la raison de cette performance améliorée n’avait pas été comprise. « 

Dans un projet dirigé par des collaborateurs de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université des sciences et de la technologie de Chine, les chercheurs ont créé et caractérisé 34 sacs de palladium sur 14 soutiens de semi-conducteurs.

Les techniques avancées de rayons X, d’infrarouges et de caractérisation électrochimique ont montré que l’efficacité des SAC dépendait de la façon dont un substrat pouvait accepter les électrons, une connexion cohérente et prévisible.

« Les capacités catalytiques des sacs de palladium ont une relation linéaire universelle avec la position orbitale moléculaire de leurs substrats de soutien », a déclaré Feng. « Cela ouvre une nouvelle avenue pour le dépistage des paires de support métallique pour une activité élevée et une stabilité. Nous avons également constaté que cette position orbitale moléculaire peut être réglée en réduisant la taille des particules de soutien, conduisant à des sacs avec des activités records et excellentes. »

Pour cette étude, les chercheurs ont examiné la semi-hydrogénation de l’acétylène en excès d’éthylène, un processus industriel commun. Dans l’hydrogénation, des molécules d’hydrogène sont ajoutées à des liaisons insaturées dans des composés organiques, les convertissant en composés saturés. Par exemple, l’hydrogénation est utilisée pour convertir huiles végétalesqui sont des graisses insaturées, dans la margarine et le shortening.

L’hydrogénation est également importante pour le raffinage des produits pétroliers, notamment la conversion d’alcènes comme l’éthylène en alcanes pour fabriquer des combustibles plus propres tels que le propane et le butane.