Catalyseur en haut de l’échelle

Prévoir si un catalyseur métallique sera a priori efficace nécessite des efforts de calcul considérables. De nouvelles lois, appelées loi d’échelle, simplifiant grandement cette tâche sont maintenant disponibles.

Bien que la catalyse soit aussi ancienne que la chimie et que quelques principes généraux aient été énoncés dès le début du XXème siècle, la compréhension de son fonctionnement fait toujours l'objet d'activités de recherche intenses. Les catalyseurs métalliques sont susceptibles de jouer un rôle clé dans la protection de l’environnement, dans la chimie verte et dans les processus de conversion ou de stockage de l’énergie ; on comprend donc l’importance de pouvoir en inventer de nouveaux, toujours plus actifs et sélectifs dans la formation des molécules souhaitées. Le développement de catalyseurs plus performants nécessite à la fois des études de chimie expérimentale et des approches de chimie théorique, amenant une meilleure compréhension des phénomènes en œuvre et permettant parfois de prédire de nouvelles formules catalytiques. Sans étude théorique, le développement de catalyseurs pourrait être réduit à une recherche aveugle.
    
Les catalyseurs solides sont actifs par leur surface. Cependant, comme l’illustre la figure ci-contre, les atomes de surface sont bien moins nombreux que ceux du cœur du catalyseur. L’étude expérimentale de la surface est donc délicate car celle-ci ne représente qu’une partie infime de l’échantillon. L’étude théorique se pose ainsi comme un recours à la compréhension de l’activité catalytique, d’autant que les outils permettant cette exploration ont acquis un droit légitime de cité. La question qui se pose est de trouver des critères qui permettent de prévoir si un catalyseur sera efficace ou pas, a priori.

Fig. La surface d’un catalyseur métallique, un réactif contenant un oxygène (en rouge), le site métallique considéré (en jaune) et son nombre de voisins obtenu par simple comptage.
 

Prévoir si un métal en particulier est un bon catalyseur pour une réaction donnée requiert, dans chaque cas, des calculs complexes et longs afin de déterminer l’énergie d’interaction entre le métal et le réactif. Une part de la complexité des calculs provient du fait que les atomes de la surface du métal ne sont pas tous identiques ; on voit sur la figure que l’atome  du site considéré (en jaune) n’a pas le même environnement que l’atome 2 ou l’atome 5 par exemple.

 Une simplification considérable, appelée loi d’échelle, a été élaborée il y a une dizaine d’année. Une telle loi  permet de déduire facilement cette énergie d’interaction pour un réactif complexe dès l'instant que l'énergie de l'atome interagissant avec le métal est connue. Cependant, l’influence de la géométrie du site de surface du catalyseur restait un paramètre dont la détermination nécessitait toujours des efforts de calcul important. En utilisant ces lois, il était donc difficile de savoir comment améliorer en pratique les propriétés structurales du catalyseur.

Des chercheurs du CNRS, de l’ENS de Lyon et de l’Université de Leiden ont franchi une nouvelle étape en rendant ces lois d’échelles sensibles à la géométrie du site actif du catalyseur, les généralisant ainsi. Ils ont montré que la géométrie du site de surface peut être simplement prise en compte en considérant le nombre de voisins de l'atome métallique où la réaction a lieu (cn = nombre de coordination, dans la figure). Ces lois d'échelles généralisées permettent donc de prédire comment choisir à la fois la composition chimique et la structure de surface d’un catalyseur afin de le rendre optimal envers une réaction donnée.

Le travail a été publié dans la revue Nature Chemistry. Il a été développé et financé dans le cadre du contrat Européen PUMA MIND (Grant n°303419; Call FCH-JU-2011-1; Code SP1-JTI-FCH.2011.1.3).

Introducing structural sensitivity into scaling relations between adsorption energies by means of coordination numbers, Federico Calle-Vallejo, David Loffreda, Marc T. M. Koper and Philippe Sautet, Nature Chemistry XX, XXX (2015)

Nature Chemistry 6 avril 2015, DOI : 10.1038/NCHEM.2226

 
Contact chercheur : Philippe Sautet, Laboratoire de Chimie, Institut de Chimie de Lyon
Courriel : Philippe.Sautet@ens-lyon.fr     Tél. : 04 72 72 81 55

Brève jflm@ens-lyon.fr

Repris par le CNRS : http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/sautet2.htm

par l'ENS de Lyon http://www.ens-lyon.eu/recherche/un-catalyseur-en-haut-de-l-echelle-une-histoire-de-calculs-261160.kjsp?RH=ENS-LYON-FR-RECH-FAI