Regarder une surface catalytique bimétallique en action

31 août 2023

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par Société Max Planck

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 surface de Cu favorisée par Ga dans les conditions 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 concentration 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 structures de surface 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 sites 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 structure et évolution chimique des surfaces bimétalliques Ga-Cu dans la réaction d'hydrogénation du CO2.

Ils ont observé un désalliage de la surface bimétallique dépendant de la température et de la pression, entraînant la formation d'îlots d'oxyde de Ga incrustés dans la surface de Cu. Bien que la phase oxyde présente une stoechiométrie proche de celle de Ga2O3, c'est-à-dire l'oxyde de Ga le plus 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 surface 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 formation 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 important de noter que ces films d’oxyde bidimensionnels sont très différents de leurs homologues massifs en termes de structure et de réactivité.

Par conséquent, l’interface GaOx/Cu formée dans les conditions de la réaction d’hydrogénation du CO2 peut exposer des sites catalytiquement actifs jamais envisagés auparavant pour cette réaction. De telles informations seraient impossibles à obtenir à l’aide de techniques sensibles à la masse couramment utilisées pour la caractérisation des catalyseurs en poudre.

Les résultats de cette étude, récemment publiés dans Nature Communications, mettent en lumière la structure de surface complexe des systèmes catalytiques contenant du Ga.