La chimie organométallique de surface pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les carburants synthétiques et les vecteurs énergétiques

La chimie organométallique de surface (SOMC) pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la synthèse des carburants et des vecteurs énergétiques

Crédit: Christophe Copéret.

Pour convertir les hydrocarbures en carburant, l'industrie pétrochimique s'appuie actuellement principalement sur des catalyseurs hétérogènes, qui contiennent dans la plupart des cas des sites métalliques actifs avec des structures mal définies. Ces dernières années, cependant, un domaine d'étude connu sous le nom de chimie organométallique de surface (SOMC) a permis la conception et le développement de catalyseurs beaucoup plus définis, dits à site unique, dans lesquels les sites métalliques peuvent être adaptés pour répondre à des besoins spécifiques.

Christophe Copéret, professeur à l'ETH Zürich, a étudié le potentiel du SOMC pour synthétiser des carburants et des vecteurs d'énergie d'une manière jusqu'ici inaccessible avec les techniques traditionnelles. Dans un article récent publié dans Nature Energy, il écrit que le SOMC peut ouvrir de nouvelles voies pour la conversion des hydrocarbures, ainsi que la façon dont il peut contribuer à la découverte d'importants processus d'homologation des alcanes et à la compréhension des catalyseurs hétérogènes.

"Je souhaite comprendre systèmes complexes tels que les catalyseurs hétérogènes à la niveau moléculaire", A déclaré Copéret à TechXplore." Pour atteindre cet objectif, notre laboratoire a développé une expertise pour générer des espèces de surface bien définies où métal les sites sont ancrés aux surfaces dans un premier temps par greffage. "

Afin de créer des catalyseurs avec des structures de surface bien définies, les chercheurs doivent contrôler la densité et la nature des fonctionnalités de surface qui sont utilisées pour ancrer les précurseurs moléculaires personnalisés. Dans leurs recherches antérieures, Copéret et ses collègues ont montré que les sites de surface bien définis résultants, également appelés sites uniques, peuvent surpasser les catalyseurs hétérogènes à la fois homogènes et classiques.

Ces catalyseurs fonctionnent bien mieux que les catalyseurs de métathèse à oxyde métallique supportés correspondants utilisés dans l'industrie pétrochimique depuis des années. Un problème avec ce dernier type de catalyseurs est le manque de compréhension des structures de sites actifs qui entrave les stratégies de développement rationnelles.

"Ces dernières années, nous nous sommes intéressés à comprendre les sites actifs de ces oxydes métalliques supportés utilisés dans l'industrie en explorant des méthodes pour générer des analogues de surface bien définis via notre méthodologie SOMC, notamment en ancrant des précurseurs moléculaires sur des surfaces et en générant des sites métalliques isolés par éliminer les ligands organiques restants via de simples post-traitements ", a expliqué Copéret. "Notre objectif était de générer ces analogues bien définis afin de mener des études spectroscopiques détaillées dans le but ultime de dériver des relations structure-activité au niveau moléculaire et des principes directeurs pour développer ces catalyseurs hétérogènes."

Essentiellement, le SOMC fonctionne en contrôlant l'incorporation de sites métalliques grâce à des approches de greffage, permettant finalement la génération de sites de surface bien définis. Cette approche moléculaire permet de construire des catalyseurs avec des sites actifs structurellement caractérisés, en contraste frappant avec les catalyseurs industriels, qui sont beaucoup plus complexes en raison de leurs méthodes de préparation dans l'eau, par exemple, par précipitation ou imprégnation d'un sel métallique.

Les techniques conventionnelles de fabrication de catalyseurs ont tendance à produire des mélanges complexes et des systèmes mal définis en raison de l'interaction complexe entre les sels métalliques, l'eau et le support qui implique de multiples événements de dissolution / précipitation. D'autre part, les catalyseurs résultant des processus SOMC ont tendance à être mieux définis, permettant aux chercheurs d'accéder à des informations structurelles sur leurs sites métalliques.

"La chimie dans l'eau et les oxydes est beaucoup plus compliquée que l'on pourrait penser", a déclaré Copéret. "En utilisant notre approche, nous simplifions simplement la chimie."

Dans son récent article, Copéret résume les principaux atouts du SOMC, en soulignant son potentiel pour alimenter l'innovation en catalyse et dans industrie pétrochimique. Bien qu'il reste encore plusieurs défis à relever, il pense que le SOMC pourrait éventuellement aider à améliorer la compréhension des événements catalytiques au niveau moléculaire.

"Les catalyseurs préparés par SOMC fournissent un très bon modèle, où la spectroscopie fournit des informations pertinentes sur les espèces actives, car la plupart des surface les sites sont de nature similaire par conception ", a expliqué Copéret." Il permet également d'accéder à la signature des espèces actives et de proposer des informations structurelles sur les sites actifs dans les catalyseurs industriels correspondants. "

Jusqu'à présent, Copéret et ses collaborateurs de l'ETH Zürich ont utilisé avec succès le SOMC pour comprendre les sites actifs de catalyseurs hétérogènes pour la métathèse et la polymérisation des oléfines, ainsi que pour la déshydrogénation du propane. La compréhension moléculaire dérivée de ces modèles pourrait finalement servir de principe directeur pour préparer des catalyseurs hétérogènes de manière plus rationnelle et a déjà été utilisée pour développer des processus de métathèse à basse température.

Les chercheurs mènent actuellement d'autres études dans lesquelles ils prévoient d'utiliser les sites uniques développés à l'aide de SOMC pour contrôler les interfaces et la composition de systèmes beaucoup plus complexes, tels que les nanoparticules prises en charge, une classe encore plus grande de catalyseurs hétérogènes. Dans ces systèmes, le ou les métaux, le support et les promoteurs jouent un rôle important, mais ils sont souvent mal compris au niveau moléculaire, ce qui rend les catalyseurs à base de nanoparticules supportées particulièrement difficiles à développer de manière rationnelle.

"Comme résumé dans un article que nous avons écrit plus tôt cette année et publié sur le Acc. Chem. Res. journal, nous utilisons SOMC et les sites uniques dérivés pour préparer ces nanoparticules prises en charge dans le but de comprendre les effets de support et de promoteur et de dériver le principe directeur moléculaire ", a déclaré Copéret." Nous utilisons également ces systèmes pour découvrir de nouvelles réactions en concevoir des interfaces complexes vers la conception de processus en tandem. "


Catalyseur mono-atome basé sur un prototype de catalyse homogène pour la transformation du CO2


Plus d'information:
Christophe Copéret. Carburants et vecteurs d'énergie à partir de catalyseurs monosites préparés par chimie organométallique de surface, Nature Energy (2019). DOI: 10.1038 / s41560-019-0491-2

Christophe Copéret. Des sites uniques et des nanoparticules à des interfaces sur mesure préparées via la chimie organométallique de surface à partir de précurseurs moléculaires thermolytiques, Comptes de la recherche chimique (2019). DOI: 10.1021 / acs.accounts.9b00138

© 2019 Science X Network

Citation:
                                                 La chimie organométallique de surface pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les carburants synthétiques et les vecteurs énergétiques (2019, 12 décembre)
                                                 récupéré le 16 décembre 2019
                                                 depuis https://techxplore.com/news/2019-12-surface-organometallic-chemistry-paths-synthetic.html

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