Analyse de l’Echange Isotopique en Résolution Temporelle pour identifier les étapes rapides des mécanismes de réactions d’oxydation catalytique – TRAIE

Le couplage operando de l'analyse cinétique transitoire isotopique en régiment permanent (SSITKA pour « steady-state isotopic transient kinetic analysis en anglais ») et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) s’est imposé comme l'une des combinaisons les plus puissantes pour étudier les mécanismes de réaction en conditions réelles. En effet, l’observation et la compréhension des surfaces catalytiques, sites actifs et espèces intermédiaires sont indispensables pour concevoir de nouveaux catalyseurs capables d'atteindre des conversions et sélectivités plus élevées. Cependant, des "zones d’ombre" reste encore à élucider concernant les étapes élémentaires de réaction beaucoup plus rapides (spillover, retournement de molécule, désoxygénation). Dans ce projet, la combinaison innovante des techniques SSITKA et IRTF résolu dans le temps (ms-µs) nous aidera à lever ces barrières scientifiques pour comprendre en profondeur les mécanismes d'oxydation catalytique.

En pratique, les barrières scientifiques et techniques à lever et les résultats attendus au cours du projet TRAIE sont :
(i) L’optimisation d'un nouveau dispositif combiné SSITKA/IRTF résolu dans le temps (rapid et step-scan modes) capable d'acquérir des données cinétiques fiables afin d’établir une corrélation entre la nature des étapes élémentaires, les espèces intermédiaires actives et la réactivité du catalyseur.
(ii) La validation de la méthodologie operando SSITKA/IRTF résolu dans le temps par l’utilisation de réactifs modèles et résultats de la littérature. Une attention particulière sera accordée à la quantité de données collectées et à la mise au point d'une méthode appropriée au traitement et à l’interconnexion de celles-ci.
(iii) L'étude des étapes élémentaires des réactions d'oxydation du CO et du CH4 sur des catalyseurs Pt et Pd respectivement, supportés sur l'alumine, en utilisant la nouvelle méthodologie SSITKA/IRTF résolu dans le temps afin d’établir des relations pertinentes entre la réactivité de surface des catalyseurs et les sites actifs et ainsi comprendre pleinement les différentes voies des mécanismes de réaction.
(iv) L'extension de cette méthodologie et des résultats à d'autres systèmes catalytiques pertinents utilisant d'autres types de particules métalliques (Rh ou Ag), des oxydes sans métaux noble ou une phase métallique parfaitement dispersée (single atom). En effet des différences encore mal comprises subsistent sur les intermédiaires de réaction et/ou les voies mécanistiques en fonction de l’état de dispersion des phases actives.

Le projet TRAIE s'attaque à une question scientifique importante dans le domaine de la catalyse afin d'obtenir une percée significative dans la compréhension des mécanismes hétérogènes. Finalement, les connaissances fondamentales acquises au cours de la réalisation des objectifs du projet pourraient être appliquées à la sélection et/ou à la conception de matériaux catalytiques capables de réussir une haute sélectivité envers les produits souhaités avec un faible coût énergétique.

La réalisation du projet JCJC de 42 mois sera assurée par un jeune chercheur et le recrutement d'un doctorant au sein du laboratoire de l'UCCS. Les données et les résultats de ce projet seront diffusés autant que possible dans des sources en accès libre à destination de la communauté scientifique et du grand public.