Hervé Henry
Une équipe de chercheurs du Département des sciences des interfaces de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck a abordé la question : qu’arrive-t-il à une area de Cu favorisée par Ga dans les circumstances de réaction requises pour la synthèse du méthanol ? Ils ont découvert des transformations structurelles complexes de ce catalyseur bimétallique qui pourraient changer l’opinion commune sur la structure de surface catalytiquement active.
L’hydrogénation du CO2 en méthanol se produit avec une grande efficacité sur les célèbres catalyseurs Cu/ZnO/Al2O3 à haute pression, c’est-à-dire 50 à 100 bars. Cependant, cette synthèse entraîne non seulement des risques de sécurité et une consommation d’énergie élevée, mais limite également la focus de CO2 dans l’alimentation en gaz afin de maintenir une sélectivité élevée. Par conséquent, une nouvelle classe de catalyseurs pour la synthèse du méthanol à basse pression est hautement souhaitable, également pour le développement futur de dispositifs à petite échelle utilisant de l’hydrogène produit par l’énergie solaire à pression ambiante.
Il a été récemment découvert que les composés intermétalliques et les alliages contenant du Ga présentent de bonnes performances catalytiques même à pression atmosphérique. Cependant, le rôle promotionnel du Ga dans ces catalyseurs est encore mal compris, principalement en raison du manque d’informations sur les constructions de surface area des catalyseurs. À cet égard, les études utilisant des techniques sensibles à la surface appliquées à des catalyseurs modèles bien définis dans des conditions de réaction peuvent fournir des informations clés qui nous aideront à comprendre la nature dynamique des websites actifs, des intermédiaires de réaction et, finalement, du mécanisme de réaction.
Une équipe de chercheurs du Département des sciences des interfaces de l’Institut Fritz Haber a profité de la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante proche (NAP-XPS) et de la microscopie à effet tunnel (NAP-STM) en laboratoire pour surveiller in situ la framework et évolution chimique des surfaces bimétalliques Ga-Cu dans la réaction d’hydrogénation du CO2. Ils ont observé un désalliage de la surface area bimétallique dépendant de la température et de la pression, entraînant la formation d’îlots d’oxyde de Ga incrustés dans la floor de Cu. Bien que la period oxyde présente une stoechiométrie proche de celle de Ga2O3, c’est-à-dire l’oxyde de Ga le moreover stable, elle forme en réalité une couche ultrafine. L’effet promotionnel des métaux comme le Ga, qui sont sujets à l’oxydation, est souvent discuté dans les modèles de structure dans lesquels un oxyde massif est placé au-dessus de la floor du métal et le mécanisme de réaction correspondant implique le débordement d’espèces intermédiaires à l’interface. La présente étude a clairement démontré que : (i) l’oxyde de Ga est incrusté dans la surface métallique et (ii) les îlots d’oxyde de Ga sont ultraminces, très probablement d’épaisseur « monocouche ». La development induite par la réaction d’une couche ultrafine d’oxyde de Ga sur les surfaces métalliques est également prévue pour les composés intermétalliques contenant du Ga. Il est crucial de noter que ces films d’oxyde bidimensionnels sont très différents de leurs homologues massifs en termes de framework et de réactivité. Par conséquent, l’interface GaOx/Cu formée dans les circumstances de la réaction d’hydrogénation du CO2 peut exposer des websites catalytiquement actifs jamais envisagés auparavant pour cette réaction. De telles informations seraient impossibles à obtenir à l’aide de approaches sensibles à la masse couramment utilisées pour la caractérisation des catalyseurs en poudre.
Les résultats de cette étude, réalisée dans le cadre du projet CATLAB et également soutenue par la Fondation Alexander von Humboldt, qui vient d’être publiée dans Character Communications, mettent en lumière la composition complexe de floor des systèmes catalytiques contenant du Ga. Une telle connaissance des catalyseurs fonctionnels n’est possible qu’en utilisant des approaches expérimentales de pointe dans des disorders de réaction. Ce n’est qu’en établissant la structure atomique de la ou des couches d’oxyde de Ga et de son interface avec le métal de changeover dans des ailments de travail que l’on peut mieux comprendre le mécanisme réactionnel de ce catalyseur de synthèse du méthanol.
