Une étude, dont les résultats intitulés «Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors» ont été publiés dans la revue Science, a abouti à la mise au point d'une méthode nouvelle, simple et rapide, pour améliorer l'efficacité d'une famille de catalyseurs.

Rappelons tout d'abord que «les catalyseurs sont des substances ou des matériaux qui, par leur interaction avec des réactifs, minimisent l'énergie nécessaire aux réactions chimiques et favorisent la formation des produits désirés».

Indispensables à l'industrie chimique pour faciliter les réactions chimiques, ils peuvent également aider à lutter contre la pollution, à l'instar des dispositifs catalytiques «embarqués dans les pots d'échappement des véhicules» qui diminuent «l'impact polluant des moteurs à combustion».

De plus, la raison essentielle pour laquelle «si peu de voitures équipées de piles à hydrogène ont été lancées sur le marché alors qu'elles n'émettent pas de gaz à effet de serre», est que «les catalyseurs de piles à combustible ne sont pas encore véritablement au point s'agissant de leur fonctionnement dans la durée».

Alors que tous ces éléments montrent que le développement de catalyseurs plus efficaces est «un enjeu de taille», jusqu'ici, pour améliorer un catalyseur, «les chimistes n'avaient à leur disposition qu'un indice: la force d'interaction optimale entre le réactif et le catalyseur».

Plus précisément, les catalyseurs étant «souvent constitués de petites particules métalliques de quelques nanomètres de diamètre», on savait que leur efficacité «dépend de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique».

Cependant, faute de relation entre la force d'interaction optimale et «la structure que devaient présenter les particules de catalyseur pour l'atteindre», la méthode utilisée jusqu'à présent par les chimistes était celle du tâtonnement en deux étapes: d'abord, de grandes bases de données étaient passée en revue «à la recherche des meilleurs candidats» et, ensuite, «de nombreuses possibilités de structure du matériau» étaient testées «jusqu'à parvenir à la force d'interaction adéquate».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée «a mis au point une nouvelle approche, permettant de déterminer la structure optimale du site catalytique (site d'interaction entre le catalyseur et le réactif), pour un catalyseur de composition chimique donnée (par exemple, du platine)».

Celle-ci résulte de la découverte d'une relation entre l'activité d'un site catalytique et le nombre de coordination «qui désigne le nombre de voisins d'un atome appartenant au catalyseur et qui se calcule simplement en les décomptant».

 

Cette approche a été validé expérimentalement «en concevant un nouveau type de catalyseur au platine pouvant être utilisé dans les piles à combustible». Ainsi, «l'efficacité maximale a été prédite pour des sites avec un nombre de coordination plus élevé que pour le catalyseur de référence, c'est-à-dire situés dans une cavité creusée dans la surface de platine». Concrètement, «après avoir créé des cavités sur une surface modèle de platine par trois méthodes différentes», l'efficacité catalytique «a été multipliée jusqu'à 3,5 fois».

Par conséquent, cette étude, qui devrait diminuer considérablement les temps de développement de catalyseurs, ouvre la voie «au développement de piles à combustible commercialement performantes, à une utilisation plus large de l'hydrogène comme carburant propre et plus généralement, à terme, à l'optimisation de nombreux processus industriels».