C’est une étape clé vers des véhicules à hydrogène démocratisés, des pots catalytiques plus efficaces, des usines plus propres... Des chercheurs ont mis au point une méthode simple et rapide pour améliorer l’efficacité d'une famille de catalyseurs, ces composés, indispensables à l’industrie, qui facilitent les réactions chimiques.
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. L’industrie chimique en dépend presque entièrement, et il en résulte un surplus commercial estimé à 50 milliards d’euros[1] en Europe. Au-delà de l’aspect économique, les dispositifs catalytiques tels que ceux embarqués dans les pots d’échappement des véhicules diminuent l’impact polluant des moteurs à combustion. En outre, les catalyseurs de piles à combustible ne sont pas encore véritablement au point s'agissant de leur fonctionnement dans la durée. Développer des catalyseurs plus efficaces est donc un enjeu de taille.
Les catalyseurs sont souvent constitués de petites particules métalliques de quelques nanomètres de diamètre. Leur efficacité dépend de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique. Jusqu’à présent, pour améliorer un catalyseur, les chimistes devaient procéder par tâtonnement, il leur fallait passer en revue de grandes bases de données à la recherche des meilleurs candidats, puis tester de nombreuses possibilités de structure du matériau.
Aujourd’hui, une équipe internationale de chimistes a mis au point une nouvelle approche, permettant de déterminer la structure optimale du site d’interaction entre le catalyseur et le réactif, le site catalytique, pour un catalyseur de composition chimique donnée, par exemple du platine. Et cette approche repose sur un concept chimique simple : le nombre de coordination, qui désigne le nombre de voisins d’un atome appartenant au catalyseur. En effet, les chercheurs ont montré qu’il existe une relation entre l’activité d’un site catalytique et ce nombre de coordination.
© D. Loffreda – CNRS/ENS
Ils ont ensuite validé expérimentalement cette approche en concevant un nouveau type de catalyseur au platine pouvant être utilisé dans les piles à combustible. L’efficacité maximale a été prédite pour des sites situés dans une cavité creusée dans la surface de platine, présentant un nombre de coordination plus élevé que pour le catalyseur de référence. Après avoir créé des cavités sur une surface modèle de platine par trois méthodes différentes, les résultats ont été sans appel : l’efficacité catalytique a été multipliée jusqu’à 3,5 fois.
Ces travaux devraient donc permettre de diminuer les temps de développement de catalyseurs. Ils ouvrent 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.
Cette avancée est le fruit d’une collaboration entre chimistes théoriciens du Laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), de l’université de Leiden (Pays-Bas), et chimistes expérimentateurs de l’université technique de Munich et de l’université de la Ruhr à Bochum (Allemagne). Elle a bénéficié des ressources de calcul de GENCI et notamment des supercalculateurs Ada (IDRIS) et Occigen (CINES). Leurs travaux ont été publiés dans la revue Science le 9 octobre 2015.
[1] Source : Chlorine Industry Review 2012-2013. Euro Chlor, Belgium, 2013. www.eurochlor.org.