Une équipe de Forschungszentrum Jülich et de RWTH Aachen University a développé une nouvelle approche pour un catalyseur qui combine les avantages des deux méthodes de catalyse les plus couramment utilisées. La nouvelle approche de catalyseur est basée sur le métal iridium et a obtenu cinq fois l'activité des systèmes de référence précédents dans le laboratoire, tout en maintenant une stabilité élevée sur plusieurs jours.
Il était auparavant considéré comme difficile d'atteindre à la fois une activité élevée et une stabilité à long terme en même temps. Ces résultats pourraient aider à augmenter l'efficacité du matériau de catalyseur très actif mais coûteux, apportant ainsi une contribution significative à la progression de l'utilisation de l'hydrogène vert comme solution de stockage d'énergie adaptée au climat. L'équipe a publié ses résultats dans le journal Catalyse EES.
Catalyseurs de l'économie de l'hydrogène
L'hydrogène vert joue un rôle important en tant que milieu de stockage d'énergie dans le système énergétique adapté au climat de l'avenir. Pour en faire usage, l'hydrogène doit être stocké efficacement, transporté et libéré en cas de besoin. Un défi clé ici est de rendre le gaz très volatil aussi facile à utiliser que possible.
Les substances porteuses telles que l'ammoniac, le méthanol, l'acide formique et les molécules apparentées sont des solutions potentielles. Des catalyseurs sont nécessaires pour se lier à l'hydrogène dans ces molécules et le libérer à nouveau: ils accélèrent les réactions nécessaires ou les rendent possibles et économiquement viables en premier lieu.
Catalyse homogène et hétérogène: une synthèse de deux principes
La nouveauté de l'approche Jülich – Aachen réside dans la combinaison de deux mondes de catalyse: la catalyse homogène et hétérogène. La catalyse homogène se produit lorsque le catalyseur et la substance réagissant, connue sous le nom de réactif, sont dans la même phase, à la fois gazeuse ou liquide, par exemple.
Dans la catalyse hétérogène, le catalyseur est solide et le réactif est gazeux ou liquide. Les avantages de la catalyse hétérogène sont que le catalyseur et le réactif peuvent être séparés proprement et facilement, réduisant les coûts.
La catalyse homogène, en revanche, a le potentiel d'être plus actif et plus sélectif car tous les atomes du matériau de catalyseur peuvent être actifs. De plus, la structure et l'environnement chimique du catalyseur peuvent être précisément adaptés à une réaction spécifique. Dans un solide, cependant, les atomes de la nanoparticule restent inactifs, car ils n'entrent pas en contact avec les réactifs.
Normalement, l'équipe composée de l'Institut de Forschungszentrum Jülich pour une économie hydrogène durable – les matériaux catalytiques pour le stockage chimique d'hydrogène (INW-2) et le président de la catalyse hétérogène de l'Université d'Aix-de-l'Inh se concentre principalement sur la catalyse hétérogène. « Avec le nouveau catalyseur, nous avons essayé d'exploiter les meilleurs aspects de l'autre monde – dans notre cas, la catalyse homogène – pour les nôtres », explique le professeur Regina Palkovits, qui dirige à la fois INW-2 et la chaise d'Aix-un.
Très actif et facilement séparable
La terpyridine joue ici un rôle central – une molécule qui lie fortement les atomes de métaux comme l'iridium. Pour les chercheurs de Jülich et d'Aix-un, il a été crucial d'intégrer la structure de la terpyridine, qui peut se lier de manière très stable dans un polymère. Un polymère est un composé chimique composé de nombreux petits blocs de construction répétés. Le résultat est un catalyseur moléculaire solide (SMC).
« De cette façon, l'iridium peut être séparé du réactif comme dans la catalyse hétérogène – dans ce cas, en tant que composant du polymère terpyridine », explique Keanu Birkelbach, auteur principal de la publication. « Dans le même temps, chaque atome d'iridium dans le SMC forme un centre catalytiquement actif, comme c'est le cas dans la catalyse homogène. »
Cette combinaison d'une activité plus élevée et d'une meilleure séparabilité est nouvelle. L'iridium peut être utilisé plus efficacement et également récupéré. Compte tenu de son prix du marché mondial élevé, cela offre un grand potentiel d'épargne. Iridium est actuellement environ 50% plus cher que l'or.
Étapes suivantes: mise à l'échelle et matériaux alternatifs
Selon Birkelbach, d'autres étapes pourraient inclure la mise à l'échelle du réacteur au-delà de l'échelle de laboratoire et le remplacement de l'iridium coûteux par un métal plus abordable et catalytiquement actif. Des molécules de support d'hydrogène supplémentaires pourraient également être testées. Dans le laboratoire, l'équipe de Jülich et d'Aix-un a utilisé le catalyseur d'iridium défini moléculaire pour libérer l'hydrogène de l'acide formique.
