Chimie sans fossile : la révolution des atomes individuels

Daniel Meierhans

Toute réaction chimique fait face à une barrière : pour que des substances réagissent entre elles, il est d’abord nécessaire de fournir de l’énergie. Dans de nombreux cas, cette barrière énergétique est faible – comme lorsqu’on frotte une allumette. Pour de nombreuses réactions clés dans l’industrie, cependant, elle est bien plus importante – et l’augmentation des besoins énergétiques fait grimper les coûts de production. Pour abaisser cette barrière, les chimistes utilisent des « aides à la réaction » appelées catalyseurs. Les meilleures de ces substances contiennent des métaux – y compris, dans certains cas, des métaux rares. 

Mieux, plus efficace et sans laisser place au hasard 

Désormais, des chimistes de l’ETH Zurich ont réalisé une percée dans la recherche en catalyse à plusieurs niveaux : 

• Ils ont développé un catalyseur qui abaisse significativement la barrière énergétique pour la production de méthanol – un alcool – à partir du gaz à effet de serre CO₂ et d’hydrogène. 
• Dans leur catalyseur, les chercheurs utilisent le métal indium de manière extrêmement efficace – en ce sens que chaque atome d’indium individuel se comporte comme un site actif. 
• Par le passé, la recherche en catalyse suivait souvent une approche de « tâtonnement ». Le catalyseur nouvellement découvert permet une analyse plus précise des mécanismes se déroulant à sa surface, ouvrant la voie à une conception rationnelle des catalyseurs. 

Le couteau suisse de la chimie verte 

« Le méthanol est un précurseur universel pour la production d’une large gamme de produits chimiques et de matériaux, comme les plastiques – le couteau suisse de la chimie, pour ainsi dire », explique Javier Pérez-Ramírez, professeur en génie de la catalyse à l’ETH Zurich. Ce liquide joue donc un rôle vital dans la transition vers une production durable et sans énergies fossiles de produits chimiques et de carburants. 

Si l’énergie utilisée pour produire l’hydrogène et pour la catalyse est générée de manière durable, le méthanol peut finalement même être produit de manière climatiquement neutre. Cela offre un moyen d’utiliser le CO₂ de l’atmosphère comme matière première au lieu de simplement le rejeter comme nous le faisons aujourd’hui. 

Utilisation maximale des métaux 

« Notre nouveau catalyseur possède une architecture à atomes uniques, dans laquelle des atomes métalliques actifs isolés sont ancrés à la surface d’un matériau de support spécialement développé », précise Pérez-Ramírez. Dans les catalyseurs conventionnels, en revanche, les métaux sont généralement présents sous forme d’agrégats, le plus souvent de petites particules. Bien que ces particules soient minuscules, elles contiennent souvent entre une centaine et plusieurs milliers d’atomes de métal.  

Il n’est pas étonnant que les catalyseurs à atomes uniques soient actuellement un sujet brûlant dans la recherche en catalyse. Ils représentent le summum de l’efficacité en matière d’utilisation d’éléments chimiques coûteux et rares. Si les métaux sont utilisés sous forme d’atomes individuels, il peut même être possible d’utiliser des métaux précieux de manière économiquement viable. 

Si les atomes peuvent travailler de manière isolée, leurs propriétés catalytiques changent aussi fréquemment. « L’indium est déjà utilisé dans ce catalyseur depuis plus d’une décennie », indique Pérez-Ramírez. « Dans notre étude, nous montrons que des atomes d’indium isolés sur de l’oxyde d’hafnium permettent une synthèse de méthanol à base de CO₂ plus efficace que l’indium sous forme de nanoparticules contenant un grand nombre d’atomes. »  

Atomes uniques au bon endroit 

Afin d’ancrer de manière ciblée des atomes uniques d’indium à la surface de l’oxyde d’hafnium, l’équipe interdisciplinaire de l’ETH a développé diverses voies de synthèse en collaboration avec des collègues d’autres institutions de recherche. Une partie clé de ce développement a été la structure spécifique du matériau de support, qui fournit aux atomes un environnement à la fois stable et réactif. 

Dans un procédé de production testé, les matières premières sont brûlées dans une flamme à 2 000-3 000 °C puis refroidies rapidement. Dans ces conditions, l’indium a tendance à rester en surface, où il est incorporé de manière stable.  

Avec l’incorporation des atomes du catalyseur dans un support d’oxyde d’hafnium résistant à la chaleur, les chimistes de l’ETH démontrent que les catalyseurs à atomes uniques peuvent rester stables même dans des conditions extrêmes. Les réactions nécessitant des températures et des pressions élevées sont donc également à portée. Par exemple, la synthèse du méthanol à partir de CO₂ et de gaz hydrogène nécessite des températures allant jusqu’à 300 °C et des pressions allant jusqu’à 50 fois la pression atmosphérique normale. 

Interaction entre le métal du catalyseur et la matrice 

De plus, les nanoparticules existantes utilisées pour l’analyse étaient une boîte noire. Alors que les processus catalytiques ne se déroulaient qu’au niveau du petit nombre d’atomes à la surface, de nombreux signaux de mesure provenaient de l’intérieur des particules, d’atomes qui n’étaient même pas impliqués dans la réaction. Cela rendait l’interprétation plus difficile. Dans les catalyseurs à atomes isolés, cependant, les mécanismes de réaction peuvent être analysés avec bien moins de signaux parasites. 

Pérez-Ramírez ne fait pas que rechercher de meilleurs catalyseurs pour la production de méthanol à partir de CO₂ à l’ETH depuis 2010, il collabore également étroitement avec l’industrie et détient plusieurs brevets dans ce domaine. Un facteur clé dans le développement de la nouvelle méthode de catalyse à atomes uniques a été le vaste réseau qui a émergé en matière de recherche en catalyse en Suisse ces dernières années, souligne Pérez-Ramírez : « Le développement du catalyseur de méthanol et l’analyse détaillée du mécanisme n’auraient pas été possibles sans cette expertise interdisciplinaire. »  

Article : Single atoms of indium on hafnia enable superior CO2-based methanol synthesis – Journal : Nature Nanotechnology – DOI : Lien vers l’étude

Source : ETHZ