Des chercheurs ont élucidé le processus par lequel un catalyseur activé peut rompre les fortes liaisons carbone-hydrogène (C-H) d’alcanes tels que le méthane, un puissant gaz à effet de serre. L’étude révèle que le catalyseur devient actif par un bref éclair de lumière, et qu’il procède à la rupture des liaisons C-H presque sans aucune énergie. En utilisant de puissantes sources de lumière à rayons X, SwissFEL et Swiss Light Source, les chercheurs ont suivi le processus du début à la fin, observant l’échange complexe d’électrons entre le catalyseur et le groupe C-H. Des calculs chimiques quantiques avancés ont permis d’obtenir des résultats plus précis. Des calculs de chimie quantique avancés ont permis d’interpréter ce processus complexe, ce qui pourrait déboucher sur de meilleurs catalyseurs pour l’industrie chimique, qui pourraient transformer le méthane nocif et d’autres alcanes en produits chimiques utiles.
Selon une étude publiée dans Science, les scientifiques ont décrypté la manière dont un catalyseur activé brise les fortes liaisons carbone-hydrogène du méthane, un puissant gaz à effet de serre. En utilisant la technologie avancée des rayons X et des calculs de chimie quantique, ils ont suivi l’échange d’électrons entre le catalyseur et la molécule de méthane, ouvrant ainsi la voie au développement de catalyseurs plus efficaces pour convertir les gaz nocifs en produits chimiques utiles.
L’utilisation de brefs éclairs de rayons X permet aux scientifiques de faire un grand pas vers le développement de meilleurs catalyseurs pour transformer le méthane, un gaz à effet de serre, en un produit chimique moins nocif. Le résultat, publié dans la revue Science, révèle pour la première fois comment les liaisons carbone-hydrogène des alcanes se brisent et comment le catalyseur fonctionne dans cette réaction.
Le méthane, l’un des gaz à effet de serre les plus puissants, est libéré dans l’atmosphère à un rythme croissant en raison de l’élevage et du dégel continu du pergélisol. La transformation du méthane et des alcanes à chaîne plus longue en produits chimiques moins nocifs et en fait utiles permettrait d’éliminer les menaces associées et de disposer d’une énorme matière première pour l’industrie chimique. Cependant, la transformation du méthane nécessite dans un premier temps la rupture d’une liaison C-H, l’une des liaisons chimiques les plus fortes dans la nature.
Un flash de rayons X illumine une molécule. Crédit : Raphael Jay
Il y a quarante ans, on a découvert des catalyseurs métalliques moléculaires capables de rompre facilement les liaisons C-H. Il suffisait d’un bref éclair de lumière visible pour « allumer » le catalyseur. Il suffisait d’un bref éclair de lumière visible pour « allumer » le catalyseur et, comme par magie, les fortes liaisons C-H des alcanes passant à proximité étaient facilement rompues, presque sans utiliser d’énergie. Malgré l’importance de cette réaction dite d’activation C-H, la manière dont le catalyseur remplit cette fonction est restée inconnue pendant des décennies.
Les recherches ont été menées par des scientifiques de l’université d’Uppsala en collaboration avec l’Institut Paul Scherrer en Suisse, l’université de Stockholm, l’université de Hambourg et le XFEL européen en Allemagne. Pour la première fois, les scientifiques ont pu observer directement le catalyseur à l’œuvre et révéler comment il rompt ces liaisons C-H.
Raphael Jay, chercheur au département de physique et d’astronomie de l’université d’Uppsala. Crédit : Mikael Wallerstedt
Lors de deux expériences menées à l’Institut Paul Scherrer en Suisse, les chercheurs ont pu suivre le délicat échange d’électrons entre un catalyseur au rhodium et un groupe C-H d’octane au fur et à mesure qu’il se rompt. En utilisant deux des plus puissantes sources de flashs de rayons X au monde, le laser à rayons X SwissFEL et le synchrotron à rayons X Swiss Light Source, la réaction a pu être suivie du début à la fin. Les mesures ont révélé l’activation initiale du catalyseur induite par la lumière en 400 femtosecondes (0,0000000000004 secondes) jusqu’à la rupture finale de la liaison C-H après 14 nanosecondes (0,000000014 secondes).
« Les expériences d’absorption de rayons X résolues dans le temps que nous avons réalisées ne sont possibles que dans des installations à grande échelle comme le SwissFEL et la Source de Lumière Suisse, qui fournissent des impulsions de rayons X extrêmement brillantes et courtes. Le catalyseur est immergé dans une solution d’octane dense, mais en adoptant la perspective du métal, nous avons pu choisir spécifiquement la liaison C-H parmi des centaines de milliers qui est amenée à se rompre », explique Raphael Jay, chercheur à l’université d’Uppsala et expérimentateur principal de l’étude.
Philippe Wernet, professeur au département de physique et d’astronomie de l’université d’Uppsala. Crédit : Mikael Wallerstedt
Pour interpréter les données expérimentales complexes, des théoriciens de l’université d’Uppsala et de l’université de Stockholm se sont associés et ont effectué des calculs de chimie quantique avancés.
« Nos calculs nous permettent d’identifier clairement comment la charge électronique circule entre le catalyseur métallique et le groupe C-H dans la bonne proportion. Nous pouvons voir comment la charge circulant du métal vers la liaison C-H colle les deux groupes chimiques ensemble. La charge circulant dans la direction opposée agit comme un ciseau qui finit par séparer les atomes C et H », explique Ambar Banerjee, chercheur postdoctoral à l’université d’Uppsala et théoricien principal de l’étude.
L’étude résout un mystère vieux de quarante ans, à savoir comment un catalyseur activé peut effectivement briser de fortes liaisons C-H en échangeant soigneusement des fractions d’électrons et sans avoir besoin de températures ou de pressions élevées. Avec leur nouvel outil en main, les chercheurs veulent maintenant apprendre à diriger le flux d’électrons pour aider à développer de meilleurs catalyseurs pour l’industrie chimique afin de faire quelque chose d’utile à partir du méthane et d’autres alcanes.
Faits
L’étude s’appuie sur les travaux pionniers du grand-père, du père et du fils Manne, Kai et Per Siegbahn.
Manne Siegbahn (Université d’Uppsala), qui a reçu le prix Nobel de physique en 1924, a été le premier à montrer comment les rayons X permettent de distinguer les différents éléments.
Kai Siegbahn (Université d’Uppsala), qui a reçu le prix Nobel de physique en 1981, a été le premier à montrer comment les rayons X permettent de distinguer différents environnements chimiques d’un même élément.
Per Siegbahn (Université de Stockholm) a prédit théoriquement l’échange concerté de charge électronique nécessaire à la rupture d’une liaison C-H.
Référence : « Tracking C-H activation with orbital resolution » par Raphael M. Jay, Ambar Banerjee, Torsten Leitner, Ru-Pan Wang, Jessica Harich, Robert Stefanuik, Hampus Wikmark, Michael R. Coates, Emma V. Beale, Victoria Kabanova, Abdullah Kahraman, Anna Wach, Dmitry Ozerov, Christopher Arrell, Philip J. M. Johnson, Camelia N. Borca, Claudio Cirelli, Camila Bacellar, Christopher Milne, Nils Huse, Grigory Smolentsev, Thomas Huthwelker, Michael Odelius et Philippe Wernet, 1er juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adf8042