Catalyseur à base de nanomatériaux - Nanomaterial-based catalyst
Les catalyseurs à base de nanomatériaux sont généralement des catalyseurs hétérogènes décomposés en nanoparticules métalliques afin d'améliorer le processus catalytique. Les nanoparticules métalliques ont une surface spécifique élevée , ce qui peut augmenter l'activité catalytique. Les catalyseurs à nanoparticules peuvent être facilement séparés et recyclés. Ils sont généralement utilisés dans des conditions douces pour empêcher la décomposition des nanoparticules.
Nanoparticules fonctionnalisées
Les nanoparticules métalliques fonctionnalisées sont plus stables vis-à-vis des solvants que les nanoparticules métalliques non fonctionnalisées. Dans les liquides, les nanoparticules métalliques peuvent être affectées par la force de van der Waals . L'agrégation des particules peut parfois diminuer l'activité catalytique en abaissant la surface. Les nanoparticules peuvent également être fonctionnalisées avec des polymères ou des oligomères pour stabiliser stériquement les nanoparticules en fournissant une couche protectrice qui empêche les nanoparticules d'interagir les unes avec les autres. Les alliages de deux métaux, appelés nanoparticules bimétalliques, sont utilisés pour créer des effets synergiques sur la catalyse entre les deux métaux.
Applications potentielles
Déshalogénation et hydrogénation
Les catalyseurs à nanoparticules sont actifs pour l' hydrogénolyse des liaisons C-Cl telles que les biphényles polychlorés . Une autre réaction est l'hydrogénation des amines aromatiques halogènes est également importante pour la synthèse d' herbicides et de pesticides ainsi que pour le carburant diesel . En chimie organique , l'hydrogénation d'une liaison C-Cl avec du deutérium est utilisée pour marquer sélectivement le cycle aromatique pour une utilisation dans des expériences traitant de l' effet isotopique cinétique . Buil et coll. créé rhodium complexes qui a généré des nanoparticules de rhodium. Ces nanoparticules ont catalysé la déshalogénation des composés aromatiques ainsi que l'hydrogénation du benzène en cyclohexane . Les nanoparticules stabilisées aux polymères peuvent également être utilisées pour l'hydrogénation du cinnamaldéhyde et du citronellal . Yu et coll. ont constaté que les nanocatalyseurs de ruthénium sont plus sélectifs dans l'hydrogénation du citronellal par rapport aux catalyseurs traditionnels utilisés.
Réactions d'hydrosilylation
La réduction des complexes organométalliques d' or , de cobalt , de nickel , de palladium ou de platine avec des silanes produit des nanoparticules métalliques qui catalysent la réaction d'hydrosilylation. Des nanoparticules de palladium fonctionnalisées par BINAP et des nanoparticules d'or ont été utilisées pour l'hydrosilylaytion du styrène dans des conditions douces; ils se sont avérés être plus catalytiquement actifs et plus stables que les complexes Pd-BINAP sans nanoparticules. La réaction peut également être catalysée par une nanoparticule constituée de deux métaux.
Réactions redox organiques
Une réaction d'oxydation pour former de l'acide adipique est représentée sur la figure 3 et elle peut être catalysée par des nanoparticules de cobalt. Ceci est utilisé à l'échelle industrielle pour produire le polymère de nylon 6,6 . D'autres exemples de réactions d'oxydation catalysées par des nanoparticules métalliques comprennent l'oxydation du cyclooctane , l' oxydation de l' éthène et l' oxydation du glucose .
Réactions de couplage CC
Les nanoparticules métalliques peuvent catalyser des réactions de couplage C – C telles que l' hydroformylation d' oléfines , la synthèse de vitamine E et les réactions de couplage de Heck et de couplage de Suzuki .
On a découvert que les nanoparticules de palladium catalysaient efficacement les réactions de couplage de Heck. Il a été constaté qu'une électronégativité accrue des ligands sur les nanoparticules de palladium augmentait leur activité catalytique.
Le composé Pd 2 (dba) 3 est une source de Pd (0), qui est la source catalytiquement active de palladium utilisée pour de nombreuses réactions, y compris les réactions de couplage croisé. On pensait que le Pd2 (dba) 3 était un précurseur catalytique homogène , mais des articles récents suggèrent que des nanoparticules de palladium se forment, ce qui en fait un précurseur catalytique hétérogène.
Carburants alternatifs
Les nanoparticules d' oxyde de fer et de cobalt peuvent être chargées sur divers matériaux tensioactifs comme l' alumine pour convertir des gaz tels que le monoxyde de carbone et l' hydrogène en hydrocarbures liquides en utilisant le procédé Fischer-Tropsch .
De nombreuses recherches sur les catalyseurs à base de nanomatériaux ont à voir avec la maximisation de l'efficacité du revêtement de catalyseur dans les piles à combustible. Le platine est actuellement le catalyseur le plus courant pour cette application, cependant, il est coûteux et rare, de sorte que de nombreuses recherches ont été menées pour maximiser les propriétés catalytiques d'autres métaux en les réduisant en nanoparticules dans l'espoir qu'un jour elles seront efficaces. et alternative économique au platine. Les nanoparticules d'or présentent également des propriétés catalytiques , malgré le fait que l'or en vrac n'est pas réactif.
On a constaté que les nanoparticules de zirconium stabilisées à l' yttrium augmentaient l'efficacité et la fiabilité d'une pile à combustible à oxyde solide . Des catalyseurs nanomatériaux ruthénium / platine pourraient potentiellement être utilisés pour catalyser la purification de l'hydrogène pour le stockage de l'hydrogène . Les nanoparticules de palladium peuvent être fonctionnalisées avec des ligands organométalliques pour catalyser l'oxydation du CO et du NO pour contrôler la pollution de l' air dans l' environnement . Les catalyseurs supportés par des nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme support catalytique cathodique pour les piles à combustible et des nanoparticules métalliques ont été utilisées pour catalyser la croissance de nanotubes de carbone . Les nanoparticules bimétalliques platine-cobalt associées à des nanotubes de carbone sont des candidats prometteurs pour les piles à combustible au méthanol direct, car elles produisent une électrode de courant plus stable .
Médicament
En chimie magnétique , les nanoparticules peuvent être utilisées comme support de catalyseur à usage médical.
Nanozymes
Outre la catalyse conventionnelle, les nanomatériaux ont été explorés pour imiter les enzymes naturelles. Les nanomatériaux ayant des activités d'imitation d'enzymes sont appelés nanozymes . De nombreux nanomatériaux ont été utilisés pour imiter des variétés d'enzymes naturelles, telles que l'oxydase, la peroxydase, la catalase, la SOD, la nucléase, etc. Les nanozymes ont trouvé de larges applications dans de nombreux domaines, de la biodétection et la bioimagerie à la thérapeutique et au traitement de l'eau.
Nanostructures pour électrocatalyse
Les nanocatalyseurs sont d'un grand intérêt dans les piles à combustible et les électrolyseurs, où le catalyseur affecte fortement l'efficacité.
Surfaces nanoporeuses
Dans les piles à combustible, les matériaux nanoporeux sont largement utilisés pour fabriquer des cathodes. Les nanoparticules poreuses de platine ont une bonne activité en nanocatalyse mais sont moins stables et leur durée de vie est courte.
Nanoparticules
Un inconvénient de l'utilisation des nanoparticules est leur tendance à s'agglomérer. Le problème peut être atténué avec le support de catalyseur approprié . Les nanoparticules sont des structures optimales à utiliser comme nanocapteurs car elles peuvent être réglées pour détecter des molécules spécifiques. Des exemples de nanoparticules de Pd électrodéposées sur des nanotubes de carbone à parois multiples ont montré une bonne activité vers la catalyse des réactions de couplage croisé.
Nanofils
Les nanofils sont très intéressants à des fins électrocatalytiques car ils sont plus faciles à produire et le contrôle de leurs caractéristiques dans le processus de production est assez précis. En outre, les nanofils peuvent augmenter l' efficacité faradique en raison de leur étendue spatiale et donc d'une plus grande disponibilité de réactifs sur la surface active.
Matériaux
Les nanostructures impliquées dans les processus d'électrocatalyse peuvent être constituées de différents matériaux. Grâce à l'utilisation de matériaux nanostructurés, les électrocatalyseurs peuvent atteindre une bonne stabilité physico-chimique, une activité élevée, une bonne conductivité et un faible coût. Les nanomatériaux métalliques sont généralement constitués de métaux de transition (principalement du fer, du cobalt, du nickel, du palladium, du platine). Les nanomatériaux multi-métaux présentent de nouvelles propriétés en raison des caractéristiques de chaque métal. Les avantages sont l'augmentation de l'activité, la sélectivité et la stabilité et la réduction des coûts. Les métaux peuvent être combinés de différentes manières, comme dans la structure bimétallique noyau-coque: le métal le moins cher forme le cœur et le plus actif (généralement un métal noble) constitue la coque. En adoptant cette conception, l'utilisation de métaux rares et coûteux peut être réduite à 20%.
L'un des défis futurs est de trouver de nouveaux matériaux stables, avec une bonne activité et surtout à faible coût. Les verres métalliques , le nitrure de carbone polymère (PCN) et les matériaux dérivés d' armatures organométalliques (MOF) ne sont que quelques exemples de matériaux aux propriétés électrocatalytiques sur lesquels la recherche investit actuellement.
Photocatalyse
De nombreux systèmes photocatalytiques peuvent bénéficier du couplage avec un métal noble; la première cellule Fujishima-Honda utilisait également une plaque de co-catalyseur. Par exemple, la conception essentielle d'un réacteur photocatalytique dispersé pour la division de l'eau est celle d'un sol aqueux dans lequel la phase dispersée est composée de points quantiques semi-conducteurs couplés chacun à un co-catalyseur métallique: le QD convertit le rayonnement électromagnétique entrant en un exciton tandis que le cocatalyseur agit comme un piégeur d'électrons et abaisse le potentiel excessif de la réaction électrochimique.
Caractérisation des nanoparticules
Certaines techniques qui peuvent être utilisées pour caractériser les catalyseurs à base de nanomatériau fonctionnalisés comprennent la spectroscopie photoélectronique à rayons X , microscopie électronique à transmission , spectroscopie de dichroïsme circulaire , la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire , spectroscopie UV-visible et des expériences apparentées.
Voir également
- Nanomatériaux
- Nanotechnologie
- Métal de transition
- Point quantique
- Nanoparticules de platine
- Jumeaux icosaédriques
- Nanozymes
Références
Lectures complémentaires
- Santen, Rutger Anthony van; Neurock, Matthew (2006). Catalyse moléculaire hétérogène: une approche conceptuelle et computationnelle ([Online-Ausg.] Ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29662-0 .