Catalysis and reactivity

Les nanoparticules d’or pour la catalyse

Figure 1. Évolution de la proportion des différents sites de surface d’une nanoparticule métallique en fonction de son diamètre ; calcul sur la base d’un modèle de cuboctaèdre tronqué.

En préambule, il est nécessaire de savoir que la réactivité de surface de métaux vis-à-vis de molécules (en phase liquide ou gazeuse) et leur capacité à catalyser des réactions chimiques (catalyse hétérogène) résultent d’un équilibre subtil entre différentes étapes élémentaires, comme l’adsorption des réactifs sur la surface métallique, leur capacité à réagir et la désorption des produits formés.

L’intérêt d’utiliser des particules métalliques de taille nanométrique plutôt que de plus grosses particules ou des métaux massifs est lié à leur grande surface utile par rapport à leur volume (Figure 1). L’augmentation du rapport surface-volume lorsque la taille des particules diminue, s’accompagne de changements structuraux qui affectent directement la réactivité : plus les particules sont petites, plus la proportion d’atomes « sous-coordinés, atomes d’arêtes et de coin», plus réactifs que les atomes de surface, augmente.

Figure 2 : Catalyseur constitué de nanoparticules d’or métalliques sur poudre d’oxyde de titane (blanc)

Une particularité de l’or par rapport aux autres métaux est que ses propriétés catalytiques n’ont été découvertes que tardivement, à la fin des années 80, grâce à la mise au point de méthodes de synthèse de nanoparticules d'or de taille inférieure à 5 nm stabilisées sur des supports d’oxydes (Figure 2). 

Figure 3 : Évolution de l’activité catalytique (en fait de la fréquence de rotation, nombre de cycles catalytiques par atome de surface et unité de temps) d’un catalyseur d’or supporté sur TiO2 dans la réaction d’oxydation de CO à 0 °C - Comparaison avec un catalyseur de platine supporté sur SiO2 à 160 °C)

Ainsi, en 1987, l’équipe du Professeur Haruta au Japon découvre que les nanoparticules d’or supportées sur oxyde de titane présentent des propriétés catalytiques remarquables dans la réaction d'oxydation de CO (CO + 1/2O2 --> CO2), et que l’or s’avère être l’unique métal capable de catalyser cette réaction à température ambiante ou même plus basse (Figure 3). Cette découverte est à l’origine de nombreux travaux de recherche sur des catalyseurs à base d’or pour de multiples réactions chimiques.

Pour aller plus loin

  • Sur la catalyse avec l’or : Les nanoparticules d'or pour la catalyse. Article rédigé par H. Guesmi et C. Louis, paru dans le magazine l'Actualité Chimique, n°425, Janvier 2018.
  • Sur les principes de la catalyse: La catalyse hétérogène Fiche 29 rédigée par E. Bordes-Richard, parue dans le magazine l'Actualité Chimique, n°392, Janvier 2015
  • Aperçu sur la catalyse en 2002 : Quoi de neuf en catalyse?, numéro spécial de l'Actualité Chimique (n°257, mai-juin 2002)
  • Catalyse et réactivité, par G. Djéga Mariadassou, article paru dans l'Actualité Chimique (n°257, mai-juin 2002)