Une nouvelle façon de regarder les réactions catalytiques se produire au niveau moléculaire en temps réel pourrait conduire à une meilleure compréhension et planification fondamentales des réactions importantes utilisées dans d'innombrables processus de fabrication chaque jour.
Une équipe de chercheurs de la Washington State University et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département américain de l'énergie (PNNL) a utilisé une nouvelle technique de sondage pour regarder la surface du fer car elle a été exposée à l'oxygène pour découvrir ce qui rend un catalyseur mieux que l'autre. Les travaux sont signalés dans le journal, Angewandte Chemie. Cela pourrait éventuellement aider les ingénieurs à mieux régler les réactions et à développer de nouveaux catalyseurs qui ne comptent pas sur des métaux de terres précieuses et rares coûteuses pour fabriquer de nombreux produits de tous les jours.
« Essentiellement, cette technique de nouvelle génération nous permet de regarder les réactions en temps réel tout en étant chimiquement conscient de ce qui se passe », a déclaré Jean-Sabin McEwen, professeur à Gene et Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioensineering et un auteur correspondant sur le travail.
Pour de nombreuses réactions utilisées pour créer des produits alimentaires quotidiens, des médicaments, des plastiques, des produits chimiques et des carburants, l'industrie s'appuie en grande partie sur l'expérience passée et les pratiques acceptées, a déclaré McEwen, qui a un rendez-vous conjoint chez PNNL. Les processus catalytiques, les réactions pour fabriquer des produits de tous les jours, sont complexes et mal compris dans de nombreux cas, et les chercheurs conçoivent souvent des catalyseurs avec une compréhension limitée de leurs mécanismes sous-jacents.
« Nous essayons de développer une compréhension fondamentale et fondamentale qui nous aide à réduire la façon dont nous abordons l'ingénierie de ce type de matériaux ou de systèmes de manière plus efficace », a déclaré Daniel Perea, co-auteur et scientifique des matériaux avec PNNL. « Nous voulons fabriquer de nouveaux types de produits chimiques plus efficacement plutôt que simplement le« cuisinier et regarder ». »
Le fer est un élément particulièrement important qui pourrait éventuellement être utilisé par l'industrie pour convertir la bio-huile, dérivée de matériaux végétaux, en carburants bio-basés utilisables. Il est abondant, peu coûteux et peut éliminer efficacement l'oxygène de la bio-huile pour produire des biocarburants.
Cependant, il réagit également facilement avec l'oxygène, conduisant à l'oxydation ou à la rouille, ce qui arrête la réaction. Les chercheurs ont découvert que l'application d'un champ électrique à la surface du catalyseur peut atténuer l'oxydation, créant un environnement optimal pour que la réaction continue sans désactivation.
« Vous voulez que ce soit réactif, mais pas trop réactif. C'est comme la règle Goldilocks – vous voulez quelque chose qui est juste », a déclaré McEwen.
En utilisant la nouvelle technique de sondage pour regarder la surface du fer, les chercheurs ont pu voir à quel point le fer a oxydé, que les surfaces cristallines fonctionnaient le mieux et comment les champs électriques ont influencé la réaction.
« Nous pouvons consulter tous les différents types de surfaces que vous pouvez avoir sur un seul grain catalytique en temps réel, donc c'est beaucoup plus réaliste dans la modélisation de ce que nous verrions dans la vraie vie dans un vrai catalyseur », a déclaré McEwen.
Parce que la technique de sondage atomique elle-même nécessite l'utilisation d'un champ électrique, les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient exploiter le champ électrique non seulement pour l'imagerie, mais aussi pour contrôler la quantité de rouille qui se forme à sa surface.
« Nous avons transformé l'outil en un instrument pour nous permettre de regarder la dynamique de la réaction », a déclaré Perea. « Nous jetons les bases de la possibilité de faire avancer la science. Mais en même temps, nous avons un œil sur les applications d'ingénierie. »
Le scientifique de la PNNL, Sten Lambeet et les étudiants diplômés du WSU, Naseeha Cardwell et Isaac Onyango ont dirigé la recherche.
