Les réactions chimiques peuvent être étudiées à différents niveaux : Au niveau des atomes et des molécules individuels, de nouveaux composés peuvent être conçus. Au niveau de minuscules particules à l’échelle nanométrique et micrométrique, on peut comprendre comment les matériaux catalytiques influencent les réactions chimiques. Et pour utiliser les réactions chimiques dans l’industrie, il faut regarder à l’échelle macroscopique.
En règle générale, différentes approches sont utilisées pour chaque domaine. Mais cela n’est pas suffisant pour les réactions chimiques complexes sur les surfaces des catalyseurs. A TU Wien (Vienne), une étape importante a été franchie : pour la première fois, il a été possible de relier tous les niveaux du niveau microscopique au niveau macroscopique afin de décrire une réaction chimique technologiquement importante dans des conditions réalistes. Ceci permet de comprendre pourquoi la taille des particules de catalyseur joue un rôle déterminant. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Communications naturelles.
Isomères : Même composition, molécules différentes
De nombreuses molécules se présentent sous différentes variantes : le même ensemble d’atomes peut être arrangé de différentes manières, qui sont alors appelées « isomères ». Il est important de faire la distinction entre ces isomères – par exemple, un certain isomère de l’hydrocarbure butène est favorable pour la production de carburant, mais une autre variante du butène est préférée pour la fabrication de polymères. Produire exactement les isomères souhaités ou convertir un isomère en un autre est une tâche délicate qui peut être réalisée avec des catalyseurs très spécifiques.
“Un catalyseur particulièrement important pour de tels processus est le palladium”, déclare le professeur Günther Rupprechter de l’Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. “Normalement, le palladium est placé sur une surface sous la forme de minuscules nanocristaux. Certaines molécules se lient ensuite à ces granules, ce qui permet la réaction chimique.”
C’est un fait bien connu que la taille des particules est souvent cruciale pour une fonction catalytique spécifique, mais la plupart du temps, il n’y a eu aucune rationalisation détaillée de la façon dont cela fonctionne. “Il est impossible de créer un modèle de chimie quantique à grande échelle de ces particules sur un ordinateur, car elles sont simplement constituées de trop d’atomes”, explique le Dr Alexander Genest, premier auteur de la présente étude. “Nous devons donc trouver des alternatives pour combiner les différentes méthodes pour étudier la catalyse chimique.”
Des conditions réalistes au lieu de systèmes idéalisés
L’équipe de recherche de la TU Wien et ses partenaires de coopération de Singapour, Alicante et Munich ont choisi une réaction complexe mais importante pour leurs investigations : l’isomérisation des alcènes. “C’est particulièrement difficile car il existe plusieurs voies de réaction qui jouent un rôle en même temps”, explique Günther Rupprechter. « Il était important pour nous d’étudier la réaction dans des conditions réalistes : dans les recherches fondamentales précédentes, les réactions étaient souvent analysées sous (ultra-)vide poussé, à basse température. Mais dans un environnement industriel, vous devez faire face à des paramètres complètement différents. Nous avons donc voulu savoir comment se déroule cette isomérisation à pression atmosphérique et 100°C.”
L’équipe a commencé au niveau des atomes et des molécules : « Avec l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous pouvons modéliser les étapes de réaction élémentaires des molécules qui se fixent sur diverses facettes des cristaux de palladium », explique Alexander Genest. Ces calculs fournissent des paramètres pour les modèles dits microcinétiques, qui peuvent être utilisés pour prédire la dynamique des réactions chimiques sur une échelle de temps beaucoup plus grande sur un ordinateur. Et à partir de ces résultats, à son tour, il est alors possible de déduire la quantité totale de produits chimiques souhaités qui seront présents après un certain temps à certains paramètres.
“Les calculs du modèle concordent très bien avec nos mesures expérimentales, non seulement qualitativement mais aussi quantitativement”, souligne le professeur Günther Rupprechter. “Il s’agit d’une percée importante – un tel accord n’était pas possible comme cela auparavant.” On peut maintenant expliquer en détail pourquoi différentes tailles de particules de palladium ont des effets différents sur les processus chimiques : les grosses particules ont des surfaces lisses, tandis que les plus petites sont plus rondes et étagées. La disposition des atomes de palladium dans des géométries alternatives influence l’énergie de réaction et donc le comportement catalytique.
Des résultats optimaux au lieu de simples essais et erreurs
“Lorsque vous optimisez un processus chimique dans l’industrie, vous devez souvent vous fier à des essais et des erreurs”, explique Günther Rupprechter. “Quels paramètres externes choisir ? Quels catalyseurs utilisez-vous — et sous quelle forme ? Ce sont des questions auxquelles il était difficile de répondre à un niveau théorique jusqu’à présent.” Généralement, plusieurs variantes sont testées, puis la plus réussie est choisie. Mais si un processus est ensuite censé passer de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle, des paramètres complètement différents peuvent être nécessaires.
« Nous avons maintenant montré que vous pouvez comprendre de manière exhaustive de tels processus si vous reliez plusieurs échelles de temps et de longueur », explique Alexander Genest. “Cette approche est bien sûr également applicable à de nombreuses autres réactions catalytiques.” Dans l’industrie chimique, il devrait ainsi devenir possible d’optimiser les processus de fabrication chimique grâce à la modélisation informatique et en même temps de réduire au minimum les analyses comparatives coûteuses et chronophages.
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