Les catalyseurs hétérogènes accélèrent les réactions chimiques en étant dans un état différent de celui des réactifs. Ils sont efficaces et stables, même dans des conditions difficiles telles qu’une température ou une pression élevée. Traditionnellement, les métaux comme le fer, le platine et le palladium ont été largement utilisés dans des industries comme la pétrochimie et l’agriculture pour des réactions importantes telles que l’hydrogénation et le procédé de Haber. Cependant, ces métaux sont rares et peuvent présenter des problèmes tels que l’accumulation due à la cokéfaction. Les scientifiques explorent de plus en plus d’éléments communs comme catalyseurs d’applications industrielles plus durables et plus rentables.
Au milieu des années 2000, l’introduction du concept de paire de Lewis frustrée (FLP) a marqué une avancée majeure dans le domaine de la catalyse, notamment dans l’activation des petites molécules. Un FLP est constitué d’une combinaison de deux composants – l’un agissant comme un acide de Lewis et l’autre comme une base de Lewis – qui sont incapables de réagir complètement l’un avec l’autre en raison d’un obstacle spatial ou électronique. Cette « frustration » les laisse dans un état hautement réactif, leur permettant d’activer des molécules stables comme l’hydrogène, le dioxyde de carbone ou l’ammoniac, qui sont normalement assez difficiles à briser. Les FLP se distinguent par leurs multiples sites actifs, ce qui les rend plus réactifs et sélectifs par rapport aux catalyseurs traditionnels, qui n’ont généralement qu’un seul site actif. Il existe deux principaux types de FLP : les FLP hétérogènes régulés par des défauts et les FLP homogènes à base moléculaire. Le premier type contrôle le nombre de sites actifs via des défauts de surface ; il peut être fastidieux de régler avec précision sa réactivité et de contrôler sa stabilité. Le deuxième type implique de petites molécules où la paire acide-base existe au sein de la même structure moléculaire, ce qui facilite l’ajustement de leur réactivité en modifiant simplement les composants environnants.
Une étude récente a innové en adaptant les FLP moléculaires pour les utiliser dans des systèmes à semi-conducteurs. Les chercheurs y sont parvenus en tirant parti de la polyvalence chimique des polymères pré-céramiques grâce au procédé PDC (Polymer-Derived Ceramic). Cet effort de collaboration a réuni des experts du monde entier, dont le professeur Yuji Iwamoto et le Dr Shotaro Tada de l’Institut de technologie de Nagoya, au Japon ; Dr Samuel Bernard de l’Université de Limoges, France ; et le professeur Ravi Kumar de l’Institut indien de technologie de Madras, en Inde. Leurs conclusions ont été mises en ligne le 9 août 2024, déclarées « Hot Paper » le 2 octobre 2024 et publiées dans le volume 63, numéro 46 de la revue. Édition internationale de chimie appliquée le 11 novembre 2024.
Le professeur Yuji Iwamoto, chercheur principal, explique : « Nous avons utilisé un polymère organosilicié contenant de l’azote, connu sous le nom de polysilazane, comme précurseur des sites de base de Lewis ainsi que de la matrice de nitrure de silicium amorphe (a-SiN). processus thermochimique, nous avons créé l’échafaudage a-SiN avec des tailles de pores précisément contrôlées qui agissent comme des champs de réaction nanoconfinés.
Dans cette étude, l’équipe de recherche a modifié chimiquement le polysilazane avec du bore (B) – un acide de Lewis naturellement abondant et moins toxique – et du sodium (Na). Le matériau modifié a ensuite été exposé à de l’ammoniac en circulation à 1 000 °C, ce qui a donné lieu à un nitrure de silicium-bore amorphe dopé au sodium (SiBN dopé au Na).
À l’aide de techniques spectroscopiques de pointe, les chercheurs ont découvert comment le matériau SiBN dopé au sodium interagissait avec l’hydrogène au niveau moléculaire. Ils ont découvert que la structure unique de ce matériau améliorait la réactivité des sites de bore et d’azote lorsqu’ils étaient exposés à l’hydrogène. Plus précisément, les molécules d’hydrogène ont interagi à la fois avec les sites de bore et les ions sodium, transformant le fragment bore-azote 3 fois coordonné en une structure plus déformée et polaire pour former une géométrie 4 fois coordonnée avec de petites molécules, agissant comme un Lewis frustré. sites acides (FLA). Lorsque l’hydrogène était introduit à certaines températures, il déclenchait des modifications dans les liaisons azote-hydrogène (NH), conduisant à la formation de sites de bases de Lewis frustrées (FLB). Ces sites ont créé un modèle d’interaction dynamique du FLP qui a permis une adsorption et une désorption réversibles de l’hydrogène, confirmées par des expériences thermodynamiques. L’énergie d’activation élevée pour la libération d’hydrogène suggère de fortes interactions, faisant de ce matériau un catalyseur prometteur pour des réactions efficaces et durables à base d’hydrogène.
Ce nouveau matériau SiBN amorphe dopé au sodium se distingue par sa stabilité thermique exceptionnelle, surpassant les autres FLP moléculaires et ce qui en fait un candidat idéal pour les processus catalytiques dans des conditions difficiles. De plus, sa structure flexible à base de céramique offre un immense potentiel pour des applications pratiques, en particulier dans les réactions d’hydrogénation, qui sont des processus essentiels dans des industries comme l’énergie et la chimie.
“Cette approche est prometteuse pour faire progresser les interactions phase solide-gaz médiées par le groupe principal dans la catalyse hétérogène, offrant des informations précieuses et des impacts significatifs prometteurs dans ce domaine”, explique le professeur Iwamoto.
Les résultats pionniers de cette étude mettent en évidence le potentiel de ce matériau innovant pour révolutionner la catalyse durable.
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