La catalyse à base de nanomatériau
La recherche de nouveaux matériaux catalytiques nanostructurés et l'amélioration des catalyseurs classiques dépendent dans une large mesure de coûteuses expériences par essai-erreur. De ce fait, les catalyseurs ne sont souvent caractérisés qu'en termes de réactivité, de sélectivité et de stabilité. On en sait peu sur leur structure à l'échelle atomique ou sur leur principe de fonctionnement. Le projet NANO-DESIGN (Computation-driven rational design of MoSx-based desulphurization nanocatalysts), financé par l'UE, a cherché à combler cette lacune en développant de puissants outils de caractérisation des catalyseurs. Pour étudier la catalyse à un niveau fondamental, les chercheurs ont utilisé une méthodologie de calcul de pointe, basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ils ont développé et optimisé des modèles informatiques représentant des catalyseurs hétérogènes à base de sulfure de molybdène (MoSx). Des images de microscopie électronique à effet tunnel (STM) ont été simulées pour tous les modèles, et les énergies de liaison des électrons de cœur ont été calculées pour certains d'entre eux. L'équipe de NANO-DESIGN a utilisé ces données pour éclairer d'un jour nouveau les informations fournies sur les systèmes catalytiques par la STM et la spectrométrie photoélectronique X (XPS). Les chercheurs ont constaté que les sites actifs sur les arêtes des MoSx en couche sont d'une importance cruciale pour la compréhension et l'amélioration des catalyseurs hétérogènes. En outre, leur évolution doit être suivie de près par des expériences de XPS effectuées dans des conditions réalistes. Les membres du projet ont utilisé des calculs de DFT afin d'évaluer la pertinence des catalyseurs MoSx pour la désulfuration des gaz de combustion. Les nanoparticules MoSx présentaient des propriétés chimiques non uniformes sur les sites des arêtes, tandis que leur réactivité changeait en fonction de la distance aux sites d'angle des nanoparticules. Les découvertes de NANO-DESIGN mettent en évidence l'importance des sites actifs dans les performances des catalyseurs à base de MoSx, ainsi que la nécessité de modèles de nanoparticules explicites dans les simulations de catalyse. Plus important encore, les nouveaux outils de caractérisation des catalyseurs devraient permettre une conception plus rationnelle des catalyseurs pour la désulfuration des gaz de combustion.
Mots‑clés
Nanotechnologies, NANO-DESIGN, modèles de calcul, théorie fonctionnelle de la densité, catalyseurs hétérogènes
