Les scientifiques ont délimité le mécanisme critique à l'échelle atomique qui permet à l'eau d'améliorer considérablement la conversion de biomasse catalysée par le platine (PT), selon une étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society.
La biomasse, l'une des ressources renouvelables les plus abondantes de la planète, peut être transformée catalytiquement en carburants et produits chimiques pour remplacer les produits dérivés des fossiles – une voie clé pour atteindre des objectifs mondiaux de neutralité du carbone.
Une étape de base dans ce processus consiste à traiter les composés furaniques: molécules de plate-forme pivot dont la conversion exige le clivage sélectif des liaisons de CO dans leurs anneaux furan stables. Ce clivage est essentiel pour produire des alcools de chaîne à grande valeur, des acides carboxyliques et des amines.
Des expériences précédentes ont montré que l'hydrogénation d'ouverture de la cycle de furane catalysé par PT se déroule beaucoup plus rapidement dans l'eau que dans les solvants organiques, avec une sélectivité de produit notablement différente. Pourtant, le mécanisme à l'échelle atomique stimulant l'amélioration catalytique dramatique de l'eau est restée longtemps claire – jusqu'à maintenant.
Pour résoudre ce mystère, une équipe de recherche dirigée par le professeur Zhang Jian du Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) de l'Académie chinoise des sciences a collaboré avec le professeur William A. Goddard III du California Institute of Technology (CALTECH).
En combinant des expériences cinétiques isotopiques avec des calculs de mécanique quantique, l'équipe a identifié le double rôle de l'eau: agir à la fois comme une « navette de proton » et un « nucléophile ».
Leurs résultats décrivent une «voie à médiation d'eau» détaillée. Dans ce mécanisme, l'eau participe directement à la scission réductrice des liaisons C-O en aidant le transfert de protons – activant effectivement une voie de réaction avec une faible barrière d'énergie. De plus, les molécules d'eau fonctionnent comme des nucléophiles, attaquant l'atome de carbone C (2) dans le composé furanique. Cette attaque déclenche la migration hydroxyle dans l'intermédiaire de réaction, qui est ensuite séquentiellement hydrogénée pour former des alcools de chaîne.
Notamment, les ions hydronium (h3O+) se forment spontanément à l'interface entre le catalyseur de platine et l'eau tout au long du cycle catalytique. Ces ions, selon l'équipe, influencent indirectement à la fois le mécanisme de réaction et sa cinétique.
« La compréhension du rôle catalytique des solvants fournit des informations critiques pour faire progresser les processus catalytiques complexes solides liquides », a déclaré le professeur Zhang, auteur correspondant de l'étude. « Ces connaissances nous permettront de concevoir des processus de conversion de biomasse plus efficaces, soutenant la production durable de produits chimiques. »
La recherche offre un soutien théorique pour augmenter la production verte et industrielle de produits chimiques bio-basés – des matériaux considérés comme centraux pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles et couper les émissions de carbone.
