La plupart des métaux trouvés dans la nature sont en fait sous leurs formes d'oxyde. Pour extraire ces métaux pour une utilisation dans des applications critiques, allant des infrastructures telles que les ponts et les bâtiments aux technologies avancées comme les avions, les semi-conducteurs ou même les matériaux quantiques – ces oxydes doivent être réduits avec des gaz.
Une nouvelle étude illuminant la façon dont différents gaz peuvent affecter la réduction de l'oxyde, cependant, a le potentiel de réorganiser les compréhensions scientifiques et les pratiques industrielles actuelles.
L'hydrogène ou le monoxyde de carbone sont généralement utilisés comme réductants, présumés pour faire le travail assez également. Cette recherche met en évidence, pour la première fois, des variations distinctes entre les deux qui affectent les réactions chimiques critiques qui alimentent la production de métaux.
Publié dans Naturele nouveau journal était une collaboration entre l'Université de Binghamton et le Brookhaven National Laboratory, ainsi que la Stony Brook University et la Columbia University.
« Pour la production de métaux, le principal défi est de supprimer efficacement l'oxygène atomique des oxydes métalliques pour donner des métaux purs », a déclaré Guangwen Zhou, professeur distingué SUNY au Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science et adjoint du programme de sciences et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Binghamton.
« L'objectif est de générer ce processus de réduction en utilisant moins d'énergie, à des températures plus basses et avec un minimum d'émissions de dioxyde de carbone. Notre étude offre des informations qui peuvent aider à guider le choix des gaz ou des réductants pour accélérer la cinétique de réaction, ce qui rend l'extraction de métaux plus rapide, plus propre et plus économe en énergie. »
Les monoxydes de carbone ont soulevé des préoccupations pour leur rôle dans la libération des gaz à effet de serre nocifs pendant la fabrication. Les résultats de cette étude indiquent l'hydrogène comme alternative plus verte pour la production de métaux, capable d'accélérer le processus de manière plus durable. Tout cela se produit tout en générant une vapeur d'eau bénigne comme une conséquence chimique beaucoup plus bénigne.
Les membres du groupe de recherche de Zhou travaillent sur des oxydes depuis longtemps, selon un doctorant de Binghamton et premier auteur Xiaobo Chen, mais ils ont progressivement commencé à remarquer des écarts dans les réactions de réduction lors de l'utilisation d'un gaz par rapport à un autre.
Après avoir sécurisé les mécanismes de chaque agent réducteur, ils ont constaté que le monoxyde de carbone et les réductants de l'hydrogène ne sont pas vraiment similaires. Lorsque le monoxyde de carbone a été utilisé pour réduire l'oxyde de nickel, la surface de l'oxyde s'est progressivement développée d'une fine couche de métal – arrêtant essentiellement de réactions catalytiques de se produisant comme de l'oxygène épuisé par le haut.
Pris au piège et incapables de migrer dans la masse, ces poches dépourvues d'oxygène se sont accumulées à la surface et ont conduit la conversion locale de l'oxyde de nickel en nickel métallique.
Cette «croûte» métallique nouvellement formée a encore empêché l'oxygène d'être enlevé plus profondément dans l'oxyde, ralentissant le processus de réduction global. En plus des émissions de dioxyde de carbone, continuer à essuyer toutes les réactions d'un oxyde désormais inactif serait encore plus coûteux et prendrait du temps.
« Si nous regardons le CO – car il est principalement utilisé comme méthode de production de métaux – si les métaux se forment à la surface, il peut bloquer les sites actifs et ralentir la cinétique de réaction », a déclaré Zhou. « Cela rend le processus d'extraction plus difficile, ce qui signifie que vous devez utiliser plus d'énergie et de températures plus élevées. »
En revanche, lorsque l'hydrogène a été utilisé, les lacunes d'oxygène formées à la surface pouvaient migrer dans la majeure partie de l'oxyde, permettant la formation de métaux à l'intérieur. Surtout, la surface est restée largement intacte avec l'hydrogène, toujours capable des réactions catalytiques qui sont cruciales pour les réactions chimiques à sauter.
« Toute cette différence est liée à la différence dans les mécanismes fondamentaux », a déclaré Zhou. « Je pense que c'est la raison pour laquelle la communauté a un fort intérêt pour ce travail, car nous avons fourni cette idée fondamentale pour comprendre ces deux gaz réducteurs de base dans le contrôle des réactions – à la fois dans la cinétique et les produits de réaction. »
Et parce que les protons d'hydrogène aident les lacunes à l'oxygène à migrer plus facilement de la surface, cela augmente également la possibilité de les reconstituer par contre-diffusion de l'oxygène atomique de l'intérieur de l'oxyde à sa surface – une bizarrerie comportementale auto-guérisse que les oxydes présentent.
Zhou a également étudié ce mécanisme dans un article publié, dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
« Si nous utilisons l'hydrogène, nous pouvons faciliter ce processus. Pour les applications industrielles, nous pouvons avoir cette régénération du catalyseur, sans interrompre le processus catalytique », a déclaré Zhou. « La réaction elle-même peut réellement construire ou fournir des capacités d'auto-guérison pour faire durer le catalyseur plus longtemps. »
Une collaboration de longue date
Plus que son potentiel d'amélioration des pratiques industrielles, cette étude recontextualise également la façon dont les scientifiques peuvent comprendre les principes très fondamentaux de la réduction de l'oxyde, selon Judith Yang, scientifique du Brookhaven National Laboratory Center for Functional Nanomaterials (CFN).
La croyance précédente a soutenu que les réductions sont plus influencées par la pression partielle de l'oxygène, plutôt que par les réductants eux-mêmes. Vous vous demandez peut-être, par exemple, ce qui est mieux pour cuire un bon dessert: la température du four ou les ingrédients fondamentaux.
« Avec ces nouveaux outils et idées scientifiques, comme du professeur Zhou, nous voyons vraiment une grande richesse dans ces systèmes, qui ont une description classique et standard qui est toujours enseignée en classe », a déclaré Yang. « Nous développons maintenant un nouveau paradigme. »
Zhou et ses étudiants ont mené leurs recherches à l'aide d'instruments, associés au soutien scientifique du personnel, dans les installations d'utilisateurs partagées hébergées au Brookhaven National Laboratory, parrainé par le programme de base des sciences de l'énergie du ministère américain de l'Énergie. Tout d'abord, ils ont utilisé le microscope électronique à transmission environnementale de CFN (TEM) pour observer les réactions in situ en temps réel, atome par atome.
« Il n'y a que quelques-uns (de ces outils) avec une telle capacité dans tout le pays », a déclaré Zhou. « C'est pourquoi nous avons la chance d'avoir cette opportunité d'accéder à cet outil. »
Ils l'ont complété avec la diffraction des rayons X synchrotron (XRD) pour étudier les réactions à plus grande échelle.
« La combinaison de ces techniques fournit une compréhension complète et multi-échelles de la réaction », a expliqué Lu Ma, scientifique de la ligne de faisceau en plomb à la ligne de faisceau de rayons X rapide et diffusant à Brookhaven National Lab Synchrotron Light Source II (NSLS-II).
« Bien que le TEM in situ révèle si la nucléation s'installe à la surface ou à l'intérieur à l'échelle nanométrique, il ne peut pas sonder des échantillons à plus grande échelle. Inversement, Ensemble XRD offre des informations à l'échelle en vrac. Ensemble, ces méthodes fournissent des preuves cohérentes et complémentaires de la dynamique de réaction à différentes échelles de longueur. »
Un projet comme celui-ci a nécessité de nombreuses mains et têtes, a déclaré Zhou, mais le partenariat entre Binghamton et Brookhaven s'est étendu à plusieurs études. De plus, le CFN et le NSLS-II sont tous deux des installations d'utilisateurs partagées avec une instrumentation de pointe et une expertise scientifique qui sont gratuites par la communauté de recherche plus large.
« Je collabore avec des gens de Brookhaven National Lab depuis que j'ai commencé mon poste de faculté ici à Binghamton, donc c'est probablement plus proche de 20 ans », a-t-il déclaré. « CFN au Brookhaven National Lab a été vraiment déterminant dans ma carrière et ma recherche. »
Beaucoup d'étudiants de Zhou travaillent également sur place à Brookhaven, acquièrent une expérience pratique cruciale pour naviguer dans des instruments et des expériences complexes tout en établissant des relations avec des scientifiques chevronnés.
« Nous ne pouvons pas garantir, à chaque fois, d'effectuer avec succès les expériences. Parfois, nous avons besoin de beaucoup de chances à essayer », a déclaré Chen. « Nous ne pouvons pas garantir que nous pouvons obtenir un résultat à chaque fois, mais CFN et NSLS-II sont un environnement fondamentalement amical. Nous pouvons avoir beaucoup de chances d'essayer ce genre de choses. »
Des études comme celles-ci ne bénéficient pas seulement aux industries, a déclaré Yang, mais aussi des scientifiques comme elle qui travaillent avec des technologies en constante évolution pour gagner leur vie.
« C'est la science que Xiaobo et le professeur Zhou font qui motive la prochaine génération de développement des infrastructures », a-t-elle déclaré. « Cet intérêt à obtenir la chimie et la structure en temps réel, à l'échelle atomique, dans un environnement contrôlé, a motivé notre prochain instrument. »
Dans ce cas, il s'agit d'un microscope électronique à transmission environnemental spécialisé en premier dans le monde capable de gérer une résolution au niveau angstrom, une énergie exceptionnelle et une résolution temporelle, et des gaz allant des pressions sous vide ultra-hautes à seulement quelques torr.
Zhou et son équipe prévoient désormais d'étendre leurs matériaux expérimentaux, du cuivre aux oxydes de fer – en train de recommencer les mêmes âges en bronze et en fer qui ont autrefois caractérisé une grande partie de l'histoire ancienne, a ajouté Yang.
« C'est vraiment fascinant que le travail de Guangwen soit lié à l'histoire de l'humanité », a-t-elle déclaré. « Nous trouvons une nouvelle fascination dans ce qui a défini l'âge matériel de l'histoire humaine. »
