Des chimistes révèlent le mécanisme de réaction d’un catalyseur d’énergie propre pour la production d’hydrogène

Des chimistes révèlent le mécanisme de réaction d’un catalyseur d’énergie propre pour la production d’hydrogène.

L’hydrogène, l’élément le plus simple sur terre, est un carburant propre qui pourrait révolutionner l’industrie de l’énergie. Cependant, l’accès à l’hydrogène n’est en aucun cas un processus simple ou propre. L’hydrogène pur est extrêmement rare dans la nature et les méthodes pratiques pour le produire reposent actuellement sur des combustibles fossiles. Mais si les scientifiques trouvent le bon catalyseur chimique, qui peut séparer l’hydrogène et l’oxygène dans les molécules d’eau, alors l’hydrogène pur peut être produit à partir de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire.

Maintenant, les scientifiques sont sur le point de trouver ce catalyseur. Des chimistes de l’Université du Kansas et du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie ont révélé le mécanisme de réaction complet d’une classe clé de catalyseurs de séparation de l’eau. était leur travail publié Dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Dmitri PolyanskiLe chimiste de Brookhaven, co-auteur de l’article, a déclaré :

Il est très rare que vous puissiez obtenir une compréhension complète de l’ensemble du cycle de motivation.

« Ces réactions passent par de nombreuses étapes, dont certaines sont très rapides et difficiles à remarquer. »

Les étapes intermédiaires rapides rendent difficile pour les scientifiques de déchiffrer où, quand et comment se produisent les parties les plus importantes de la réaction catalytique – et donc, si le catalyseur convient à des applications à grande échelle.

À l’Université du Kansas, le professeur adjoint James Blackmore recherchait des candidats potentiels lorsqu’il a remarqué quelque chose d’inhabituel dans un catalyseur en particulier. Ce catalyseur, appelé composé de pentaméthylcyclopentadiényl rhodium, ou complexe Cp*Rh, montrait la réaction dans une région où les molécules sont normalement stables.

James BlackmoreIl a dit:

Les composés métalliques – des molécules qui contiennent un centre métallique entouré d’un échafaudage organique – sont importants pour leur capacité à catalyser des réactions autrement difficiles.

« Normalement, la réactivité se produit directement au centre du métal, mais dans notre système d’intérêt, l’échafaudage de liaison semble être directement impliqué dans la chimie. »

Alors, qu’est-ce qui interagissait exactement avec le ligand ? L’équipe a-t-elle vraiment remarqué une étape active dans le mécanisme de réaction, ou simplement une réaction secondaire indésirable ? Quelle est la stabilité des produits intermédiaires fabriqués ? Pour répondre à de telles questions, Blakemore s’est associé à des chimistes du laboratoire de Brookhaven pour utiliser une technique de recherche spécialisée appelée radiolyse pulsée.

La radiolyse pulsée exploite la puissance des accélérateurs de particules pour isoler les étapes rapides et difficiles à observer dans un cycle catalytique. Brookhaven Centre d’accélération pour la recherche énergétique (ACER) est l’un des deux seuls sites aux États-Unis où cette technologie peut être mise en œuvre, grâce au complexe d’accélérateur de particules avancé du laboratoire.

David GryllLe chimiste de Brookhaven, un autre co-auteur de l’article, a déclaré :

Nous accélérons les électrons, qui transportent une grande énergie, à des vitesses très élevées.

« Lorsque ces électrons traversent la solution chimique que nous étudions, ils ionisent les molécules de solvant, générant des espèces chargées qui sont interceptées par les molécules de catalyseur, qui changent rapidement de composition. Nous utilisons ensuite des outils de spectroscopie résolue en temps pour surveiller la réaction chimique. après que ce changement rapide se soit produit. »

Les études de spectroscopie fournissent des données spectrales, qui peuvent être considérées comme des empreintes digitales de la structure de la molécule. En comparant ces signatures à des structures connues, les scientifiques peuvent déchiffrer les changements physiques et électroniques dans les produits intermédiaires de courte durée des réactions catalytiques.

« L’analyse radiométrique des impulsions nous permet d’identifier une seule étape et de l’examiner sur une très courte échelle de temps », a déclaré Polyansky. « Le matériel que nous avons utilisé peut résoudre des événements en un millionième à un milliardième de seconde. »

En combinant la radiolyse pulsée et la spectroscopie accélérée avec les techniques d’électrochimie et de flux arrêté les plus courantes, l’équipe a pu déchiffrer chaque étape du cycle catalytique complexe, y compris les détails de l’interaction inhabituelle qui se produit dans l’échafaudage de liaison.

« L’une des caractéristiques les plus notables de ce cycle de motivation est l’implication directe des liens », a déclaré Grylls. Cette région de la molécule n’est souvent qu’un spectateur, mais nous avons observé une interaction au sein des liaisons qui n’a pas encore été démontrée pour cette classe de composés. Nous avons pu montrer que le groupement hydrure, produit intermédiaire de la réaction, sautait sur le complexe Cp*ligand. Cela a démontré que le ligand Cp* était un élément actif du mécanisme de réaction. »

La capture de ces détails chimiques fins permettra aux scientifiques de concevoir plus facilement des catalyseurs plus efficaces, stables et rentables pour produire de l’hydrogène pur.

Les chercheurs espèrent également que leurs découvertes fourniront des indices pour déchiffrer les mécanismes de réaction pour d’autres classes de catalyseurs.

« En chimie, des résultats comme les nôtres peuvent souvent être généralisés et appliqués pour améliorer d’autres systèmes, mais obtenir des détails importants sur la réaction rapide, comme nous l’avons fait ici, est une étape essentielle », a déclaré Blackmore. « Nous espérons que d’autres groupes de recherche s’appuieront sur nos connaissances et s’appuieront dessus, peut-être en utilisant une interaction améliorée par un lieur pour créer de meilleurs catalyseurs. »

Cette étude n’est qu’une série d’expériences parmi un grand nombre de travaux sur l’énergie propre menés par des scientifiques de l’Université du Kansas et du Brookhaven Lab.

« Nous construisons les connaissances chimiques fondamentales qui aideront un jour les scientifiques à concevoir le catalyseur optimal pour la production d’hydrogène pur », a déclaré Polyansky.

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation et le Department of Energy’s Office of Science.

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Des chimistes révèlent le mécanisme de réaction d’un catalyseur d’énergie propre, 15 mai 2023