La spectroscopie vibratoire dissèque une réaction de surface
La dissociation sélective de l'obligation et spécifique à la surface du méthane deutéré sur une surface Pt(211) (crédit : R. Beck/EPFL)
Lorsqu'une surface métallique catalyse un processus chimique, les atomes de surface ne sont pas tous les mêmes. Les scientifiques de l'EPFL ont comblé le fossé entre le laboratoire et l'usine en étudiant la dissociation du méthane sur la face cristalline (211) du platine.
En 1909, Fritz Haber a fait une découverte qui allait changer le monde : À l'aide d'un catalyseur solide à base de fer, il pourrait briser l'azote atmosphérique en ses atomes constitutifs et les combiner avec de l'hydrogène pour produire de l'ammoniac. Les engrais produits à partir de cette ammoniac synthétique ont multiplié par plusieurs fois la productivité agricole et ont permis de nourrir la population croissante de la Terre.
La catalyse de surface industrielle - maintenant étendue à beaucoup plus de réactions - est un processus désordonné. Les surfaces catalytiques sont rugueuses et irrégulières, et les molécules de réactifs chauds se bousculent et se déplacent dans toutes les directions. Les physiciens chimistes maîtrisent les réactions en les simplifiant : Dans une usine chimique, les catalyseurs et les récipients de réaction sous pression sont remplacés par des surfaces cristallines lisses et des atmosphères raréfiées en laboratoire. Les expériences ont donné des résultats importants, y compris le mécanisme détaillé du processus Haber, mais on est loin des conditions réelles.
Rainer Beck de l'EPFL, et ses collègues comblent le fossé entre le laboratoire et l'usine en étudiant la dissociation du méthane sur la face cristalline (211) du platine. Avec ses pas régulièrement espacés, Pt(211) a trois types distincts de sites de surface, montrés dans la figure en orange, bleu et blanc. Auparavant, les expériences ne pouvaient mesurer que la puissance de réaction moyenne de toute la surface. Mais plus tôt cette année, Beck et sa société ont montré que le produit de réaction, le CH3, avait des résonances vibratoires sensiblement différentes selon le site de surface où il se trouvait. En surveillant le spectre vibratoire de l'ensemble de la surface et en le décomposant en composantes propres au site, les chercheurs ont examiné l'activité catalytique de chaque type de site. Qualitativement, les résultats correspondent aux attentes : Les sites des marches (orange) sont plus actifs que les sites des terrasses (bleu), et les sites des coins (blanc) ne contribuent pas du tout à la réaction.
Maintenant, Beck et ses collègues ont ajouté une nouvelle couche de complexité. En remplaçant le CH4 par du méthane deutéré, CH3D, ils ont créé un système dans lequel plus d'une réaction de dissociation est possible : Le lien qui se brise peut être C-H ou C-D. La capacité de diriger une telle réaction vers un ensemble désiré de produits est un objectif de longue date. Dans le cas du méthane deutéré, on peut créer une préférence pour la dissociation de la liaison C-H en préparant les molécules réactives dans un état dans lequel les liaisons C-H vibrent fortement mais la liaison C-D ne le fait pas. Mais le degré de cette préférence montre une dépendance compliquée - que Beck et ses collègues ont maintenant démêlé - à la fois sur le site de réaction et sur la vitesse du réactif.
Les expérimentateurs lausannois travaillent avec plusieurs groupes théoriques pour convertir leurs résultats en une meilleure compréhension prédictive des réactions de surface. Et ils étendent leurs expériences à des surfaces encore plus complexes, comme le Pt(531), dont les marches sont en zigzag.
Reproduit de J. L. Miller,'Vibrational spectroscopy disects a surface reaction,' Physics Today Online, 26 juillet 2018, avec la permission de l'American Institute of Physics. [https://doi.org/10.1063/PT.6.1.20180726a].
Ana Gutiérrez-González, F. Fleming Crim, Rainer D. Beck. Bond selective dissociation of methane (CH3D) on the steps and terraces of Pt(211). Journal of Chemical Physics. In press.