Gallium liquide et trois billes solides de platine, démontrant le processus de dissolution du platine dans le gallium décrit dans l’article de recherche. Crédit : Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
Les catalyseurs sont des substances qui peuvent accélérer les réactions chimiques, ce qui est très important pour la chimie industrielle. Cependant, pour certaines réactions, le platine constitue un excellent catalyseur, mais il est assez cher. En fait, c’est un métal précieux très apprécié et il vaut plus que l’or.
Pour cette raison, il est très utile de créer de nouveaux catalyseurs moins coûteux. C’est justement ce que les chercheurs ont fait, mais en combinant du gallium liquide avec du platine.
Des scientifiques australiens ont réussi à utiliser des traces de platine liquide pour créer des réactions chimiques bon marché et très efficaces à basse température, ouvrant ainsi la voie à une réduction spectaculaire des émissions dans des industries cruciales.
Lorsqu’elles sont combinées avec du gallium liquide, les quantités de platine requises sont suffisamment faibles pour étendre de manière significative les réserves terrestres de ce métal précieux, tout en offrant potentiellement des solutions plus durables pour la réduction du CO2, la synthèse de l’ammoniac dans la production d’engrais et la création de piles à combustible vertes, ainsi que de nombreuses autres applications possibles dans les industries chimiques.
Ces résultats, qui portent sur le platine, ne sont qu’une goutte d’eau dans l’océan des métaux liquides en ce qui concerne le potentiel de ces systèmes de catalyse. En développant cette méthode, il pourrait y avoir plus de 1 000 combinaisons possibles d’éléments pour plus de 1 000 réactions différentes.
Les résultats seront publiés dans le journal Nature Chemistry le lundi 6 juin 2022.
Une vue atomique du système catalytique dans lequel les sphères argentées représentent les atomes de gallium et les sphères rouges les atomes de platine. Les petites sphères vertes sont les réactifs et les sphères bleues sont les produits – mettant en évidence les réactions catalytiques. Crédit : Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney
Le platine est très efficace en tant que catalyseur (le déclencheur de réactions chimiques) mais n’est pas largement utilisé à l’échelle industrielle en raison de son coût. La plupart des systèmes de catalyse faisant appel au platine ont également des coûts énergétiques permanents élevés.
Normalement, le point de fusion du platine est de 1 768°C (3 215°F). Et lorsqu’il est utilisé à l’état solide à des fins industrielles, il doit y avoir environ 10 % de platine dans un système catalytique à base de carbone.
Ce n’est pas un ratio abordable lorsqu’on essaie de fabriquer des composants et des produits destinés à la vente commerciale.
Cela pourrait toutefois changer à l’avenir, après que des scientifiques de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) de Sydney et de l’Université RMIT ont trouvé un moyen d’utiliser de minuscules quantités de platine pour créer des réactions puissantes, sans coûts énergétiques élevés.
L’équipe, qui comprend des membres du Centre d’excellence de l’ARC pour la science des excitons et du Centre d’excellence de l’ARC pour les futures technologies à faible énergie, a combiné le platine avec du gallium liquide, dont le point de fusion n’est que de 29,8 °C, soit la température ambiante d’une journée chaude. Lorsqu’il est combiné au gallium, le platine devient soluble. En d’autres termes, il fond, sans qu’il soit nécessaire d’allumer un four industriel extrêmement puissant.
Perles de gallium et de platine liquides en gros plan. Crédit : Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney.
Pour ce mécanisme, le traitement à une température élevée n’est nécessaire qu’au stade initial, lorsque le platine est dissous dans le gallium pour créer le système de catalyse. Et même dans ce cas, la température n’est que d’environ 300°C pendant une heure ou deux, ce qui est loin des hautes températures continues souvent requises dans l’ingénierie chimique à l’échelle industrielle.
Le Dr Jianbo Tang de l’UNSW, auteur de la contribution, a comparé cette méthode à celle d’un forgeron utilisant une forge chaude pour fabriquer des équipements qui dureront des années.
“Si vous travaillez avec du fer et de l’acier, vous devez le chauffer pour fabriquer un outil, mais vous avez l’outil et vous n’avez plus jamais besoin de le chauffer à nouveau”, a-t-il dit.
“D’autres personnes ont essayé cette approche, mais elles doivent faire fonctionner leurs systèmes de catalyse à des températures très élevées en permanence.”
Pour créer un catalyseur efficace, les chercheurs ont dû utiliser un rapport de moins de 0,0001 entre le platine et le gallium. Et le plus remarquable, c’est que le système résultant s’est avéré plus de 1 000 fois plus efficace que son rival à l’état solide (celui qui devait contenir environ 10 % de platine cher pour fonctionner).
Les avantages ne s’arrêtent pas là : comme il s’agit d’un système liquide, il est également plus fiable. Systèmes catalytiques à l’état solidefinissent par se boucher et cesser de fonctionner. Ce n’est pas un problème ici. Comme un jeu d’eau avec une fontaine intégrée, le mécanisme liquide se rafraîchit constamment, autorégulant son efficacité sur une longue période de temps et évitant l’équivalent catalytique de l’écume de l’étang qui se forme à la surface.
Le Dr Md Arifur Rahim, l’auteur principal de l’UNSW Sydney, a déclaré : “Depuis 2011, les scientifiques ont pu miniaturiser les systèmes catalytiques jusqu’au niveau atomique des métaux actifs. Pour maintenir les atomes uniques séparés les uns des autres, les systèmes conventionnels nécessitent des matrices solides (telles que graphene or metal oxide) to stabilize them. I thought, why not use a liquid matrix instead and see what happens.
“The catalytic atoms anchored onto a solid matrix are immobile. We have added mobility to the catalytic atoms at low temperature by using a liquid gallium matrix”.
The mechanism is also versatile enough to perform both oxidation and reduction reactions, in which oxygen is provided to or taken away from a substance respectively.
The UNSW experimentalists had to solve some mysteries to understand these impressive results. Using advanced computational chemistry and modeling, their colleagues at RMIT, led by Professor Salvy Russo, were able to identify that the platinum never becomes solid, right down to the level of individual atoms.
Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi revealed the significance of her RMIT team’s modeling work.
“What we found is the two platinum atoms never came into contact with each other,” she said.
“They were always separated by gallium atoms. There is no solid platinum forming in this system. It’s always atomically dispersed within the gallium. That’s really cool and it’s what we found with the modeling, which is very difficult to observe directly through experiments.”
Surprisingly, it’s actually the gallium that does the work of driving the desired chemical reaction, acting under the influence of platinum atoms in close proximity.
Exciton Science Associate Investigator Dr. Andrew Christofferson of RMIT explained how novel these results are: “The platinum is actually a little bit below the surface and it’s activating the gallium atoms around it. So the magic is happening on the gallium under the influence of platinum.
“But without the platinum there, it doesn’t happen. This is completely different from any other catalysis anyone has shown, that I’m aware of. And this is something that can only have been shown through the modeling.”
Reference: “Low-temperature liquid platinum catalyst” 6 June 2022, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-022-00965-6
