Une nouvelle découverte pourrait améliorer l’efficacité du stockage des énergies renouvelables, de la fabrication de carburants sans carbone et de la production de matériaux durables.
Une équipe de chercheurs en énergie dirigée par l’Université du Minnesota Twin Cities a mis au point un dispositif révolutionnaire qui convertit électroniquement un métal pour qu’il se comporte comme un autre, ce qui permet de l’utiliser comme catalyseur pour accélérer les réactions chimiques. Le dispositif fabriqué, connu sous le nom de “condensateur catalytique”, est le premier à démontrer que des matériaux alternatifs modifiés électroniquement pour obtenir de nouvelles propriétés peuvent permettre un traitement chimique plus rapide et plus efficace.
L’invention ouvre la voie à de nouvelles technologies catalytiques utilisant des catalyseurs en métal non précieux pour des applications importantes telles que le stockage de l’énergie renouvelable, la fabrication de carburants renouvelables et la fabrication de matériaux durables.
La recherche est publiée en ligne dans JACS Aule principal journal à accès libre de l’American Chemical Society, où elle a été sélectionnée comme publication du choix de l’éditeur. L’équipe a déposé un brevet provisoire sur le dispositif et travaille également avec le bureau de commercialisation des technologies de l’université du Minnesota.
Les chercheurs de l’université du Minnesota ont inventé un “condenseur catalytique” qui ouvre la voie à de nouvelles technologies catalytiques utilisant des catalyseurs en métal non précieux pour des applications importantes telles que le stockage de l’énergie renouvelable, la fabrication de carburants renouvelables et la fabrication de matériaux durables. Crédit : Groupe Dauenhauer, Université du Minnesota
Au cours du siècle dernier, le traitement chimique s’est appuyé sur l’utilisation de matériaux spécifiques pour favoriser la fabrication de produits chimiques et de matériaux que nous utilisons dans notre vie quotidienne. Beaucoup de ces matériaux, y compris les métaux précieux comme le ruthénium, le platine, le rhodium et le palladium, ont des propriétés électroniques de surface distinctes. Comme ils peuvent agir à la fois comme des métaux et des oxydes métalliques, ils sont essentiels pour contrôler les réactions chimiques.
Le grand public est sans doute plus familier avec ce concept en relation avec l’ .l’augmentation des vols de pots catalytiques sur les voitures.. Les convertisseurs catalytiques sont précieux en raison du rhodium et du palladium qu’ils contiennent. En fait, le palladium peut être plus cher que l’or.
Ces matériaux coûteux sont souvent rares dans le monde et sont devenus un obstacle majeur à l’avancement de la technologie.
Pour mettre au point cette méthode de réglage des propriétés catalytiques des matériaux alternatifs, les chercheurs se sont appuyés sur leurs connaissances du comportement des électrons sur les surfaces. L’équipe a testé avec succès une théorie selon laquelle l’ajout et le retrait d’électrons à un matériau pouvaient transformer l’oxyde métallique en quelque chose qui imite les propriétés d’un autre matériau.
“Les atomes ne veulent vraiment pas changer leur nombre d’électrons, mais nous avons inventé le dispositif de condenseur catalytique qui nous permet de régler le nombre d’électrons à la surface du catalyseur”, a déclaré Paul Dauenhauer, boursier MacArthur et professeur de génie chimique et de science des matériaux à l’Université du Minnesota, qui a dirigé l’équipe de recherche. “Cela ouvre une toute nouvelle possibilité de contrôler la chimie et de faire en sorte que des matériaux abondants agissent comme des matériaux précieux.” M. Dauenhauer est également titulaire de la chaire Lanny & ; Charlotte Schmidt Endowed Chair.
Le dispositif de condenseur catalytique utilise une combinaison de films nanométriques pour déplacer et stabiliser les électrons à la surface du catalyseur. Cette conception présente le mécanisme unique de combiner des métaux et des oxydes métalliques avec graphene to enable fast electron flow with surfaces that are tunable for chemistry.
“Using various thin film technologies, we combined a nano-scale film of alumina made from low-cost abundant aluminum metal with graphene, which we were then able to tune to take on the properties of other materials,” said Tzia Ming Onn, a post-doctoral researcher at the University of Minnesota who fabricated and tested the catalytic condensers. “The substantial ability to tune the catalytic and electronic properties of the catalyst exceeded our expectations.”
The catalytic condenser design has broad utility as a platform device for a range of manufacturing applications. This versatility comes from its nanometer fabrication that incorporates graphene as an enabling component of the active surface layer. The power of the device to stabilize electrons (or the absence of electrons called “holes”) is tunable with varying composition of a strongly insulating internal layer. The device’s active layer also can incorporate any base catalyst material with additional additives, that can then be tuned to achieve the properties of expensive catalytic materials.
“We view the catalytic condenser as a platform technology that can be implemented across a host of manufacturing applications,” said Dan Frisbie, a professor and head of the University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science and research team member. “The core design insights and novel components can be modified to almost any chemistry we can imagine.”
The team plans to continue their research on catalytic condensers by applying it to precious metals for some of the most important sustainability and environmental problems. With financial support from the U.S. Department of Energy and National Science Foundation, several parallel projects are already in progress to store renewable electricity as ammonia, manufacture the key molecules in renewable plastics, and clean gaseous waste streams.
Reference: “Alumina Graphene Catalytic Condenser for Programmable Solid Acids” by Tzia Ming Onn, Sallye R. Gathmann, Yuxin Wang, Roshan Patel, Silu Guo, Han Chen, Jimmy K. Soeherman, Phillip Christopher, Geoffrey Rojas, K. Andre Mkhoyan, Matthew Neurock, Omar A. Abdelrahman, C. Daniel Frisbie and Paul J. Dauenhauer, 7 May 2022, JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.2c00114
The experimental invention of the catalytic condenser is part of a larger mission of the U.S. Department of Energy, and this work was funded by the U.S. Department of Energy, Basic Energy Sciences Catalysis program via grant #DE-SC0021163. Additional support to fabricate and characterize the catalytic condenser devices was provided by the U.S. National Science Foundation CBET-Catalysis program (Award #1937641) and the MRSEC program DMR-2011401. Funding was also provided by donors Keith and Amy Steva. Electron microscopy work was carried out in the University of Minnesota’s Characterization Facility.
Researchers from the University of Massachusetts Amherst and University of California, Santa Barbara were also involved in the study.
