Des catalyseurs qui éclairent un chemin vers la chimie durable

Produire de l'hydrogène de manière plus  durable ?

En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses et abondantes sur terre, avec un apport d'énergie lumineuse et dans des conditions produisant peu de déchets Yuan et al.(2022) ici  ont créé un photocatalyseur évolutif capable de convertir l'ammoniac en hydrogène cf. figure. Cet Hydrogène est appelé à jouer une rôle important dans la transition énergétique. Des prototypes sont déjà developpés par  Syzygy Plasmonics Inc. dans lequel trois des co-auteurs ont des intérêts.

Un catalyseur et un apport de lumière (LED) pour produire l'ammoniac plus durablement

Plasmonique discipline cherchant à tirer profit de l'interaction résonante obtenue dans certaines conditions entre un rayonnement électromagnétique (lumineux notamment) et les électrons libres à l'interface entre un métal et un matériau diélectrique (air ou verre par exemple). Cette interaction génère des ondes de densité d'électrons, se comportant comme des vagues et appelées plasmons ou plasmons de surface. Source : futura-sciences.com

"Les futurs procédés industriels durables de synthèse de produits chimiques devraient éviter les combustibles fossiles, ne produire aucune émission de carbone et être moins chers que les procédés actuels - l'industrie n'adoptera pas de procédés durables plus coûteux que les procédés existants. Écrivant dans Science, Yuan et al.(2022) ici rapportent qu'un catalyseur plasmonique - un type de catalyseur activé par la lumière - basé sur du cuivre et du fer abondamment disponibles peut être utilisé pour produire de l'hydrogène gazeux, un carburant vert, à partir d'ammoniac (NH3). Ce processus alimenté par la lumière génère de l'hydrogène aussi efficacement qu'un catalyseur thermique largement utilisé à base de ruthénium, un élément beaucoup plus rare. Les résultats révèlent des opportunités pour les catalyseurs plasmoniques dans les processus industriels durables et pourraient aider à établir l'utilisation à grande échelle de la lumière pour alimenter les réactions chimiques. De plus, cela suggère que des catalyseurs basés sur des éléments abondants sur Terre pourraient enfin émerger pour une utilisation dans un large éventail d'applications industrielles." Traduction de Cortés, E. (2023 encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Exploiter le fer pour la photocatalyse

La désorption est la transformation inverse de la sorption (adsorption ou absorption), par laquelle les molécules absorbées (ou adsorbées) se détachent du substrat.

"De bons catalyseurs lient les substrats à des forces intermédiaires de sorte que ni la liaison des réactifs ni la désorption du produit ne limitent la réaction. Les métaux du groupe du platine répondent souvent à ce critère pour de nombreuses réactions et ne peuvent pas être remplacés par des métaux moins chers tels que le fer, qui s'oxydent souvent dans les conditions de réaction. Yuan et al. démontrer la décomposition de l'ammoniac pour libérer de l'hydrogène avec un photocatalyseur cuivre-fer dans lequel les plasmons excités dans le cuivre génèrent des électrons activés qui réagissent avec l'ammoniac lié au fer. Le fer n'est pas un bon catalyseur thermique pour cette réaction, mais la désorption photoinduite de l'oxygène le rend compétitif avec un photocatalyseur cuivre-ruthénium similaire et avec des catalyseurs thermiques au ruthénium. Cette réaction, qui est pilotée par des diodes électroluminescentes, peut être compétitive avec les catalyseurs thermiques utilisés dans ce système porteur d'hydrogène" Traduction de Cortés, E. (2023 . — encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

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Fig 1: Procédés catalytiques pour la décomposition de l'ammoniac. a, Les gaz d'hydrogène (H2) et d'azote (N2) peuvent être produits à partir d'ammoniac (NH3) à l'aide de catalyseurs contenant du ruthénium (ici, un alliage cuivre-ruthénium). L'étape déterminant la vitesse de la réaction est la désorption des molécules d'azote des atomes de ruthénium catalytiques. Cela implique la rupture d'une liaison relativement faible à l'aide de chaleur, généralement produite par la combustion de combustibles fossiles. Cependant, le ruthénium est cher et la combustion de combustibles fossiles produit des émissions de dioxyde de carbone. b, Yuan et al.1 rapportent que les catalyseurs cuivre-fer éclairés par LED sont à peu près aussi actifs que les meilleurs catalyseurs au ruthénium activés thermiquement. La LED excite le catalyseur cuivre-fer « plasmonique », facilitant la désorption des molécules d'azote autrement fortement liées des atomes de fer. De telles réactions sont potentiellement beaucoup plus durables que celles de a, car le fer est beaucoup moins cher et plus abondant que le ruthénium, et les LED pourraient être alimentées par de l'électricité produite à partir de l'énergie solaire. [img]. Source : Cortés, E. (2023) ici

Abstract de Yuan, et al. (2022)

"Les catalyseurs à base de métaux du groupe du platine sont au centre des préoccupations de l'industrie chimique depuis des décennies. Nous montrons que la photocatalyse plasmonique peut transformer un métal de transition thermiquement non réactif et riche en terre en un site catalytiquement actif sous illumination. Les sites actifs Fe dans un complexe antenne-réacteur Cu-Fe atteignent des efficacités très similaires à Ru pour la décomposition photocatalytique de l'ammoniac sous éclairage pulsé ultrarapide. Lorsqu'ils sont éclairés par des diodes électroluminescentes plutôt que par des lasers, les efficacités photocatalytiques restent comparables, même lorsque l'échelle de réaction augmente de près de trois ordres de grandeur. Ce résultat démontre le potentiel d'une production d'hydrogène hautement efficace avec de l'électricité  à partir d'un support d'ammoniac avec des métaux de transition abondants dans la terre." Traduction de Yuan et al.(2022) encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :ici

La prudence dans la conclusion de Yuan, et al. (2022)

Bien que la section " Competing interests" dans toutes les revues scientifiques sérieuses oblige les auteurs à révéler leurs intérêts (on y lit que 3 des co-auteurs ont des participations dans Syzygy Plasmonics Inc. (et que leur publicité, ainsi que la vulgarisation risquent d'être bien plus sensationnalliste), la publication dans Science exige un ton très modéré et prudent :
"…Cette étude suggère que les métaux de transition, traditionnellement considérés comme inadaptés à la thermocatalyse conventionnelle, peuvent être des substrats pertinents pour la photocatalyse plasmonique et démontre également que la photocatalyse peut être efficacement réalisée avec des sources de photons LED peu coûteuses. Ces résultats motivent fortement l'étude de métaux plus abondants pouvant servir de sites réactifs très efficaces pour la photocatalyse antenne-réacteur plasmonique. " Traduction de Yuan et al.(2022) encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :ici

Bio-inspiré ?

JTS se demande s'il n'y a pas un parallèle avec la photosynthèse dont la première étape repose sur un catalyseur au manganèse dans la Chlorophylle pour l'hydrolyse de l'eau ?

(Les membres Jump-To-Science peuvent obtenir ces articles…).

Références:

• Cortés, E. (2023). Light-activated catalysts point the way to sustainable chemistry. Nature, 614(7947), 230‑232. https://doi.org/10.1038/d41586-023-00239-2
• Yuan, Y., Zhou, L., Robatjazi, H., Bao, J. L., Zhou, J., Bayles, A., Yuan, L., Lou, M., Lou, M., Khatiwada, S., Carter, E. A., Nordlander, P., & Halas, N. J. (2022). Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination. Science, 378(6622), 889‑893. https://doi.org/10.1126/science.abn5636