Regarder une surface catalytique bimétallique en action


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.

Hydrogénation du CO2 au méthanol se produit avec une grande efficacité sur le célèbre Cu/ZnO/Al2Ô3 catalyseurs à hautes pressions, c’est-à-dire 50 à 100 bars. Cependant, cette synthèse entraîne non seulement des risques pour la sécurité et une consommation énergétique élevée, mais limite également les émissions de CO.2 concentration dans la charge gazeuse 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 son rôle. surface structures 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 sur site l’évolution structurale et chimique des surfaces bimétalliques Ga-Cu dans le CO2 réaction d’hydrogénation. 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 ait montré une stœchiométrie proche de Ga2Ô3, c’est-à-dire l’oxyde de Ga le plus stable, il forme en fait 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 où une masse l’oxyde est placé en haut de la surface métallique 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 intégré 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, le GaOXInterface /Cu formée sous CO2 Les conditions de la réaction d’hydrogénation peuvent exposer des sites catalytiquement actifs jamais envisagés pour cette réaction auparavant. 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, réalisée dans le cadre du projet CATLAB et également soutenue par la Fondation Alexander von Humboldt, qui vient d’être publiée dans Communications naturelles, mettent en lumière la structure de surface complexe des systèmes catalytiques contenant du Ga. Une telle connaissance des catalyseurs fonctionnels n’est possible qu’en utilisant des techniques expérimentales de pointe dans des conditions de réaction. Ce n’est qu’en établissant la structure atomique de la ou des couches d’oxyde de Ga et de son interface avec le métal de transition dans des conditions de travail que l’on peut mieux comprendre le mécanisme réactionnel de ce catalyseur de synthèse du méthanol.

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