Un catalyseur en haut de l'échelle: une histoire de calculs

Publié par Isabelle le 26/04/2015 à 00:00
Source et illustration: CNRS/INC
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Prévoir si un catalyseur métallique sera a priori efficace nécessite des efforts de calcul considérables. De nouvelles lois appelées loi d'échelle, simplifiant grandement cette tâche, sont maintenant disponibles. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de chimie de Lyon (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Lyon / Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1 et ENS de Lyon) et de l'Université de Leiden ont franchi une nouvelle étape en rendant ces lois d'échelles sensibles à la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) du site actif du catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...), permettant ainsi de prédire de manière encore plus fiable l'efficacité d'un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) pour une réaction donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...). Ces travaux font l'objet d'un article dans la revue Nature Chemistry.


La surface d'un catalyseur métallique, un réactif contenant un oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) (en rouge), le site métallique considéré (en jaune) et son nombre de voisins obtenu par simple comptage. © David Loffreda

Bien que la catalyse soit aussi ancienne que la chimie et que quelques principes généraux aient été énoncés dès le début du XXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), la compréhension de son fonctionnement fait toujours l'objet d'activités de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) intenses. Les catalyseurs métalliques sont susceptibles de jouer un rôle clé dans la protection de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), dans la chimie verte et dans les processus de conversion ou de stockage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) ; on comprend donc l'importance de pouvoir en inventer de nouveaux, toujours plus actifs et sélectifs dans la formation des molécules souhaitées. Le développement de catalyseurs plus performants nécessite à la fois des études de chimie expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) et des approches de chimie théorique, amenant une meilleure compréhension des phénomènes en œuvre et permettant parfois de prédire de nouvelles formules catalytiques. Sans étude théorique, le développement de catalyseurs pourrait être réduit à une recherche aveugle.

Les catalyseurs solides sont actifs par leur surface. Cependant, comme l'illustre la figure ci-dessous, les atomes de surface sont bien moins nombreux que ceux du cœur du catalyseur. L'étude expérimentale de la surface est donc délicate car celle-ci ne représente qu'une partie infime de l'échantillon. L'étude théorique se pose ainsi comme un recours à la compréhension de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique, d'autant que les outils permettant cette exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) ont acquis un droit légitime de citer. La question qui se pose est de trouver des critères qui permettent de prévoir si un catalyseur sera efficace ou pas, a priori.

Ce travail a été développé et financé dans le cadre du contrat Européen PUMA MIND (Grant n°303419; Call FCH-JU-2011-1; Code SP1-JTI-FCH.2011.1.3).

Référence:
Federico Calle-Vallejo, David Loffreda, Marc T. M. Koper and Philippe Sautet
Introducing structural sensitivity into scaling relations between adsorption energies by means of coordination numbers
Nature Chemistry 6 avril 2015
DOI: 10.1038/NCHEM.2226
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