La fixation industrielle contemporaine de l’azote repose en grande partie sur le procédé Haber-Bosch, très énergivore, qui fonctionne à des températures et des pressions extrêmement élevées.
Les carbures métalliques, en tant que classe prometteuse de matériaux catalytiques, ont récemment attiré l'attention dans la recherche sur la catalyse hétérogène. Comprendre leurs mécanismes d’activation de l’azote aux niveaux moléculaire et électronique est crucial pour développer des catalyseurs de nouvelle génération et des matériaux avancés à un seul atome.
Dans une étude publiée dans Science chimiqueune équipe de recherche dirigée par les professeurs Jiang Ling et Xie Hua de l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l'Académie chinoise des sciences a révélé le mécanisme compétitif de fixation bimode de l'azote dans un amas de tricarbones métalliques chargés négativement, MC3– (M = Os, Ir, Pt).
En combinant la spectroscopie photoélectronique avec des calculs de chimie quantique, les chercheurs ont étudié la réactivité du MC3– clusters dans l’activation des molécules d’azote. Ils ont démontré que ces amas présentaient deux voies d’activation de l’azote concurrentes : le clivage de la triple liaison N≡N avec formation d’une liaison C-N stable et la chimisorption de l’azote sur le centre métallique.
Les chercheurs ont découvert que parmi les clusters étudiés, OsC3− clivage principalement facilité de la liaison N≡N, IrC3− montré la coexistence de mécanismes d'activation doubles de l'azote et du PtC3− favorisé la fixation de l'azote principalement par chimisorption.
De plus, l'analyse théorique a révélé que l'activation de l'azote par MC3– diminuait à mesure que l'énergie orbitale 5d des atomes métalliques diminuait, tandis que la prédominance de la chimisorption augmentait en conséquence.
« Notre étude fournit des informations au niveau moléculaire sur l'activation du diazote par des amas de carbures métalliques mononucléaires et établit un nouveau paradigme pour développer des catalyseurs efficaces pour la fixation du diazote », a déclaré le professeur Xie.
