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Catalyse et Séparation

Le calcul quantique décode les catalyseurs

Les particules métalliques sub-nanométriques (dimension proche ou inférieure au nanomètre), supportées sur oxyde, sont employées comme catalyseurs hétérogènes  pour de nombreuses réactions, dont le reformage catalytique[1]. Les optimiser par rapport aux exigences des procédés requiert une connaissance approfondie de l’environnement des atomes constituant la phase active. L’observation est néanmoins rendue difficile par leur très petite taille.

Céline Chizallet

 

Céline Chizallet
Direction Catalyse et Séparation
celine.chizallet@ifpen.fr

La modélisation quantique ab initio constitue donc un outil de choix pour aider à la résolution de leur structure dans le milieu réactionnel.

IFPEN, en collaboration avec l'ENS-Lyon, a réalisé des calculs quantiques couplés à une approche thermodynamique pour comprendre l’évolution de la structure de particules de platine supportées sur γ-Al2O3[2].

  • Sous faible pression d’hydrogène, les calculs montrent qu’un agrégat de 13 atomes de platine présente une morphologie biplanaire.
  • Sous forte pression d’hydrogène, la particule se reconstruit en cuboctaèdre, ce qui accroît l’interaction hydrogène-particule au détriment de l’interaction métal-support.
    Cette reconstruction permet à l’agrégat de stabiliser un nombre important d’atomes d’H par Pt. Ces résultats sont reliés quantitativement à des résultats d’expérience de chimisorption d’hydrogène.

Les calculs quantiques appliqués à des systèmes catalytiques hétérogènes permettent donc de mieux comprendre leur évolution en conditions opératoires, afin de proposer des pistes d’amélioration, tout particulièrement dans le cas de particules métalliques de très petites tailles.

Les travaux actuels s’orientent vers la modélisation de la réactivité de tels agrégats en présence de molécules hydrocarbonées.

Modélisation de la reconstruction d’un agrégat Pt13  supporté sous atmosphère d’H2  .

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