Mettez le contact: c’est au tour des nanoparticules métalliques de servir de catalyseurs
Les matériaux qui augmentent la vitesse d’une réaction chimique, sans que ce processus ne les affecte, sont connus sous le nom de catalyseurs et se trouvent au cœur de nombreuses technologies. Un exemple bien connu est celui des systèmes d’échappement automobiles qui transforment les fumées toxiques en gaz moins nocifs. Malheureusement, les catalyseurs sont souvent coûteux, car ils contiennent généralement un ou plusieurs métaux précieux, comme le platine, le rhodium ou le palladium, dont les réserves sont limitées. Le projet PROMETHEUS, financé par l’UE, a trouvé une solution pour contourner cette limitation dans le secteur automobile: un moyen de conserver la même efficacité catalytique en utilisant une quantité de métaux précieux environ dix fois plus faible. «Jusqu’à présent, on pensait que la qualité des pots catalytiques automobiles était équivalente à la quantité de métaux du groupe platine (MGP) contenue dans le catalyseur. PROMETHEUS prouve que les nanotechnologies peuvent aider à produire des catalyseurs automobiles avec 85 % de métaux précieux en moins, tout en conservant des performances équivalentes à celles obtenues avec les catalyseurs commerciaux utilisés dans les véhicules qui respectent les normes d’émission Euro 6d», fait remarquer Iakovos Yakoumis, coordinateur de PROMETHEUS et fondateur de la société MONOLITHOS Catalysts, qui coordonne le projet.
Les nanotechnologies: la clé pour accroître la réactivité
Pour satisfaire aux normes d’émission, de plus en plus strictes, les constructeurs automobiles sont obligés de mettre davantage de MGP dans les pots catalytiques. Les MGP possèdent une grande efficacité en termes de réduction catalytique sélective, ce qui signifie qu’ils peuvent réduire les oxydes d’azote sous forme d’azote et d’eau, des composants inoffensifs. Au lieu de cela, PROMETHEUS a synthétisé des catalyseurs à base de nanomatériaux sous forme de poudre qui empêchent l’agglomération des particules métalliques. Contrairement à leurs homologues plus massifs, les nanoparticules offrent une plus grande surface qui améliore certaines propriétés comme la réactivité du catalyseur. «Le nouveau catalyseur est basé sur des nanoparticules de cuivre. Le cuivre a une efficacité catalytique relativement faible par rapport aux autres MGP. Pour compenser cela, MONOLITHOS a ajouté une plus grande quantité de cuivre dans le mélange catalytique, ce qui induit un coût négligeable», explique Iakovos Yakoumis. Malgré son prix en hausse, le cuivre reste encore beaucoup moins cher que les autres MGP.
Un aperçu détaillé du processus de préparation du catalyseur
Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à synthétiser de grands lots de poudres de catalyseurs actifs (plus de 100 kg) contenant du cuivre, du palladium et du rhodium. Pour la synthèse des nanocatalyseurs hétérogènes, ils ont employé une méthode couramment utilisée appelée imprégnation par voie humide. Le procédé sol-gel a permis de déposer les nanoparticules sur le support monolithique du catalyseur. Le support du catalyseur a été optimisé pour obtenir la plus grande surface active possible et la plus grande capacité de stockage d’oxygène, deux éléments qui jouent un rôle clé dans l’activité catalytique des réactions d’oxydation. Les chercheurs ont également utilisé un liant spécial pour obtenir une imprégnation homogène du catalyseur dans les parois du substrat monolithique. Tous les matériaux ont été caractérisés grâce à différentes techniques de microscopie. Pour mesurer efficacement l’activité catalytique pour les émissions multigaz (monoxyde de carbone, oxydes d’azote et méthane) humidifiées à la vapeur d’eau, MONOLITHOS a utilisé un banc d’essai avec des gaz synthétiques. Cette unité reproduit des atmosphères gazeuses et des températures de réaction caractéristiques des pots catalytiques automobiles. Pour tester le vieillissement des catalyseurs, la société a placé les catalyseurs dans un four qui permet des réactions hydrothermales à des pressions et des températures élevées. Le catalyseur Prometheus a prouvé son endurance après un vieillissement hydrothermal (avec une teneur en eau de 10 %) à 1 050 °C pendant 4 heures et à 850 °C pendant 16 heures. «Bien que l’utilisation de MGP soit limitée à 15 %, nos catalyseurs ont démontré des niveaux d’activité similaires à ceux des catalyseurs commerciaux Euro 6d», indique Iakovos Yakoumis. Jusqu’à présent, plusieurs approches ont été explorées pour réduire la teneur en MGP dans les pots catalytiques. Le fait de transformer les métaux en nanoparticules, comme l’a fait MONOLITHOS, donne un véritable coup de pouce pour faire rouler des véhicules plus écologiques sur nos routes.
Mots‑clés
PROMETHEUS, catalyseur, MONOLITHOS, métal du groupe du platine (MGP), nanoparticules, cuivre, métaux précieux, convertisseur catalytique, réactivité
