Une équipe de l'Université du Minnesota et de l'Université de Houston a mesuré directement de minuscules fractions d'électrons dans des processus catalytiques, résolvant une énigme vieille d'un siècle. Leur nouvelle technique, appelée Isopotential Electron Titration (IET), révèle comment les molécules interagissent avec des métaux précieux comme l'or, l'argent et le platine. Les résultats, publiés dans ACS Central Science, pourraient accélérer le développement de catalyseurs efficaces pour l'énergie et la fabrication.
Les catalyseurs sont essentiels dans des industries comme les pharmaceutiques, les batteries et le raffinage du pétrole, où ils réduisent les besoins énergétiques des réactions chimiques pour améliorer la vitesse et l'efficacité. Pendant plus de 100 ans, les scientifiques savaient que les molécules échangent de petites portions d'électrons avec les surfaces métalliques lors de la catalyse, mais la mesure directe de ces fractions est restée insaisissable.
La percée vient de chercheurs du College of Science and Engineering de l'Université du Minnesota Twin Cities et du Cullen College of Engineering de l'Université de Houston. En utilisant l'IET, ils ont quantifié le partage d'électrons sur les surfaces catalytiques dans des conditions pertinentes. Cette méthode fournit des données précises sur les liaisons, contrairement aux approches indirectes précédentes dans des conditions idéalisées.
"Mesurer des fractions d'un électron à ces échelles incroyablement petites offre la vue la plus claire à ce jour sur le comportement des molécules sur les catalyseurs," a déclaré Justin Hopkins, étudiant en doctorat en génie chimique à l'Université du Minnesota et auteur principal. Les métaux précieux excellent car ils permettent un transfert optimal d'électrons, permettant aux molécules de se lier et de réagir efficacement.
Par exemple, un atome d'hydrogène sur le platine partage seulement 0,2 % d'un électron, une quantité infime qui facilite les réactions industrielles. "L'IET nous a permis de mesurer la fraction d'un électron partagée avec une surface catalytique à des niveaux inférieurs à un pour cent, comme dans le cas d'un atome d'hydrogène sur le platine," a expliqué Omar Abdelrahman, auteur correspondant et professeur associé au William A. Brookshire Department of Chemical and Biomolecular Engineering de l'Université de Houston.
Ce travail découle du Center for Programmable Energy Catalysis, lancé en 2022 dans le cadre des Energy Frontier Research Centers du Département de l'Énergie des États-Unis. Le centre se concentre sur des catalyseurs dynamiques avancés pour les matériaux, les produits chimiques et les combustibles. "La base des nouvelles technologies catalytiques pour l'industrie a toujours été la recherche fondamentale de base," a noté Paul Dauenhauer, directeur du centre et professeur distingué à l'Université du Minnesota. "Cette nouvelle découverte de la distribution fractionnaire d'électrons établit une base scientifique entièrement nouvelle pour comprendre les catalyseurs, que nous pensons propulsera de nouvelles technologies énergétiques au cours des prochaines décennies."
L'IET complète la nanotechnologie et l'apprentissage automatique dans la conception de catalyseurs, permettant une identification plus rapide des matériaux prometteurs.