L'ordre ou le désordre déterminent-ils la catalyse ?

Peu de processus chimiques aujourd'hui se déroulent sans catalyse. La majorité absolue de tous les processus de fabrication et de transformation dans l'industrie chimique se fait de manière catalytique. Un catalyseur est une substance dont la participation permet la réaction chimique ou la rend économiquement viable. Un processus catalytique important est la conversion de l'oxygène de l'air en eau. Cette réaction est notamment utilisée en sensorique ou en technologie de la corrosion. Elle revêt une importance particulière pour la technologie du stockage et de la conversion d'énergie chimique dans les batteries et les piles à combustible. Les catalyseurs les plus performants pour cette réaction sont des alliages de l'élément coûteux et rare, le platine. Depuis des années, il est connu que les alliages de platine dont les surfaces respectent une organisation structurale précisément définie des atomes sont des catalyseurs très actifs.

« À la stupéfaction de la science, des recherches récentes montrent cependant que des variantes de ces alliages de platine, totalement désordonnées sur le plan structural, résultant de l'usure et du vieillissement des catalyseurs, présentent une activité catalytique tout aussi élevée », explique le Prof. Dr. Peter Strasser, responsable du département « Catalyse électrochimique et matériaux » à l'Université technique de Berlin. « Ces deux observations semblaient cependant incompatibles. »

Ce n’est désormais plus le cas grâce à l’équipe de la TU Berlin dirigée par Peter Strasser, en étroite collaboration avec des collègues français de l’Université Grenoble Alpes et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), avec des collègues suisses de l’ETH Zurich et de l’Institut Paul Scherrer, ainsi qu’avec des collègues allemands de la TU Dresden. Ensemble, ils ont réussi à développer une description plus complète de ces deux types de catalyseurs et de leur réaction, permettant de clarifier ces contradictions.

Un rôle important est joué par la distorsion de la structure de surface (Distortion), un paramètre structural qui décrit le désordre dans l’arrangement des atomes individuels à la surface du platine et qui englobe les deux types de catalyseurs. L’organisation strictement uniforme des atomes métalliques offre les meilleures conditions pour une haute réactivité catalytique. Cependant, le désordre structural offre la plus grande diversité atomique à la surface, avec de nombreuses configurations atomiques différentes, dont une petite fraction peut également être très active. Cela conduit également, en somme, à une haute réactivité catalytique. On pourrait illustrer cela en comparant à un lancer dans un panier de basketball : un joueur professionnel a une seule tentative et marque. Cela correspond à un petit nombre de motifs définis des atomes à la surface du catalyseur. En comparaison, une classe entière d’écoliers lançant simultanément dans des paniers a statistiquement une probabilité similaire de marquer au moins un panier, comme le joueur professionnel avec une seule tentative. Cela correspond à un grand nombre de motifs différents des atomes à la surface du catalyseur.

Les expériences récemment publiées dans Nature Materials confirment : une augmentation de la distorsion de la surface est la clé pour comprendre les processus de vieillissement des catalyseurs initialement bien ordonnés et actifs, qui se transforment en catalyseurs désordonnés mais toujours actifs.

Enfin, la description unifiée des deux types de catalyseurs ne permet pas seulement une compréhension plus approfondie du fonctionnement des catalyseurs connus, mais constitue également une opportunité de prédire de nouveaux catalyseurs encore plus performants pour les technologies futures de stockage et de conversion d’énergie.

Raphaël Chattot, Olivier Le Bacq, Vera Beermann, Stefanie Kühl, Juan Herranz, Sebastian Henning, Laura Kühn, Tristan Asset, Laure Gûtaz, Gilles Renou, Jakub Drnec, Pierre Bordet, Alain Pasturel, Alexander Eychmüller, Thomas J. Schmidt, Peter Strasser, Laetitia Dubau, Frédéric Maillard
Distorsion de surface comme concept unificateur et descripteur dans la catalyse électrochimique de la réaction de réduction de l’oxygène
Nature Materials. 2018, DOI : 10.1038/s41563-018-0133-2