De nombreux processus industriels modernes dépendent de la chimie complexe. Prenez la production d'engrais, par exemple: pour le faire, les entreprises doivent d'abord produire de l'ammoniac, un ingrédient clé.
Ces processus chimiques ont besoin d'ingrédients de leurs propres – les catalyseurs, qui accélèrent les réactions sans être consommés ou créant des sous-produits indésirables.
Un type émergent de catalyseur – connu comme catalyseur « à atomes unique » ou « dispersé atomiquement » – attire beaucoup d'attention pour que son potentiel de rendre les processus industriels plus propres et plus efficaces. Les revues universitaires débordent d'études à leur sujet.
Maintenant, grâce à une invitation du rédacteur en chef d'une meilleure revue scientifique, un ingénieur chimique de l'Université de Virginie donne un sens à tous les changements et pose la voie à de futures percées.
Comment ça s'est passé
Un éditeur à Chimie de la nature Récemment remarqué un article de revue hors concours Peer Review écrit par Jason Bates, professeur adjoint d'ingénierie à la School of Engineering and Applied Science de l'UVA. L'éditeur a envoyé un e-mail à une invitation: Bates pourrait-il écrire une perspective sur la façon d'étudier les catalyseurs dispersés atomiquement pour assurer une rigueur et une reproductibilité appropriées?
Les observations de la publication dans ce nouveau domaine de la recherche sur la catalyse sont en augmentation, a déclaré le rédacteur en chef, mais trop souvent, les affirmations des chercheurs promettent plus qu'ils ne livrent en fonction de leur science.
Bates a accepté. Son article, « Progress and Pitfall in Designing Hétérogène Catalysts with Molecular Precision », a été publié par Chimie de la nature en février.
« J'espère que cela guidera la recherche vers les bonnes directions afin que nous puissions découvrir de nouvelles choses plus rapidement », a déclaré Bates, « sans générer des conclusions trompeuses. »
Quels sont les catalyseurs dispersés atomiquement?
Les catalyseurs sont largement utilisés dans l'industrie pour accroître l'efficacité, réduire les coûts et réduire l'impact environnemental. Ils se répartissent généralement en deux catégories.
Les catalyseurs homogènes, dissous dans du liquide, offrent un contrôle précis et des résultats cohérents. Mais ils sont chers et les mieux adaptés à la production à petite valeur et à petite échelle, comme les produits pharmaceutiques.
Catalyseurs hétérogènes, qui sont solides et utilisés à grande échelle, les industries de l'électricité comme le raffinage de carburant et la production d'engrais. Ceux-ci sont généralement constitués de minuscules grappes d'atomes métalliques – comme le platine ou le fer – réparties sur un matériau de support.
Mais les catalyseurs hétérogènes traditionnels peuvent s'user dans des conditions de fonctionnement difficiles. Au fil du temps, leur structure et leur efficacité se dégradent.
Les catalyseurs dispersés atomiquement visent à combiner le meilleur des deux mondes: la précision des systèmes homogènes avec la durabilité et l'évolutivité des hétérogènes. Au lieu de grappes métalliques, celles-ci utilisent des atomes de métal uniques ancrés sur une surface solide, qui servent de sites de réaction.
« Ils sont attrayants », a déclaré Bates, « parce que vous pouvez les concevoir avec la spécificité d'un catalyseur homogène, mais ils fonctionnent dans des environnements pratiques comme un catalyseur hétérogène. »
Cela est important car de nombreux processus industriels ont déjà atteint une efficacité maximale avec la technologie actuelle. Prenez à nouveau la production d'ammoniac: Bien que le processus lui-même n'émettait peu de co₂, ce qui a besoin de l'hydrogène qu'elle a besoin – parce que l'hydrogène provient de combustibles fossiles.
« Donc, nous avons besoin de nouvelles façons de faire de l'hydrogène d'une manière moins à forte intensité de carbone », a déclaré Bates. « Les catalyseurs dispersés atomiquement pourraient faire partie de la solution. »
Assembler le puzzle
Les catalyseurs dispersés atomiquement permettent une conception précise, mais ce sont toujours des systèmes complexes. Les tester et les caractériser nécessite un travail minutieux, ce qui, selon Bates, est trop souvent sauté ou précipité.
Il compare leur structure à un puzzle. Il existe de nombreuses méthodes pour trouver les pièces, mais elles doivent être assemblées pour obtenir une image complète.
« De nombreux chercheurs répercuteront une pièce et diront, maintenant je sais à quoi ressemble le reste du puzzle sans considérer les hypothèses et techniques alternatives », a-t-il déclaré. « La réalité de la recherche dans ce domaine est que vous ne pouvez presque jamais obtenir chaque pièce du puzzle. »
Bates estime que le domaine doit ralentir et se concentrer sur la science reproductible et rigoureuse. Ce n'est qu'alors, soutient-il, les chercheurs peuvent comprendre avec confiance ce qu'ils ont fait – et comment l'améliorer.
Son papier a déjà touché une corde sensible. E. Charles Sykes, professeur de chimie à l'Université Tufts qui a examiné le travail de Bates pour Chimie de la natured'accord avec l'appel à la prudence.
« Les innombrables rapports de nouveaux catalyseurs dispersés atomiquement ne sont souvent pas bien caractérisés ou testés. Cela limite les informations fondamentales », a déclaré Sykes. « L'examen de Jason souligne bon nombre des pièges communs et devrait servir de guide à la communauté en constante augmentation. »
