Le pouvoir invisible du triangle métallique
Pourquoi on peut produire de l'ammoniac à partir d'un triangle d'atomes de fer, mais pas à partir d'un triangle d'atomes de chrome
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Deux matériaux presque identiques, mais au comportement chimique totalement différent : des équipes de recherche de l'Université de Vienne et de l'Université technique de Vienne ont étudié des catalyseurs permettant d'utiliser l'énergie solaire pour produire de l'ammoniac. Étonnamment, il s’est avéré que lorsque l’on remplace trois atomes de fer, disposés en minuscules triangles dans ces catalyseurs, par des atomes de chrome, la réaction chimique ne se produit plus.
Les chercheurs ont désormais réussi à en expliquer la raison : les structures triangulaires en fer et en chrome possèdent des propriétés magnétiques très différentes, et ce sont précisément ces propriétés magnétiques qui déterminent si le matériau est apte à servir de catalyseur ou non. Les deux équipes de recherche font partie du pôle d’excellence MECS (Materials for Energy Conversion and Storage) de la FWF, qui se consacre au développement de matériaux innovants pour la transition énergétique.
La production d’engrais, une activité très gourmande en énergie
L’ammoniac est indispensable à l’humanité : les engrais à base d’ammoniac contribuent à nourrir une grande partie de la population mondiale. Cependant, la production industrielle d’ammoniac à partir d’azote et d’hydrogène nécessite généralement des températures et une pression élevées – elle est donc extrêmement gourmande en énergie. C’est pourquoi des chercheurs travaillent à la mise au point d’une alternative moins gourmande en énergie : les photocatalyseurs sont des matériaux spéciaux et innovants qui captent la lumière du soleil et utilisent son énergie pour transformer l’azote en ammoniac.
« Les composés organométalliques à structure réticulaire constituent des candidats prometteurs », explique Jana Bischoff (Université technique de Vienne). « Il s’agit de cristaux comportant de petites cavités. Leur structure est constituée de nœuds formés d’atomes métalliques reliés entre eux par des molécules organiques. »
L’équipe a mené des recherches sur une structure appelée MOF MIL-101. Dans cette structure, chaque nœud comporte trois atomes métalliques disposés en triangle autour d’un atome d’oxygène central. Cette structure peut être produite avec différents types d’atomes métalliques sans modifier le réseau. Mais d’un point de vue chimique, la différence est considérable : avec des atomes de fer, la structure peut produire de l’ammoniac sous l’effet de la lumière, tandis qu’avec du chrome, cette réaction ne se produit pas.
Au départ, on a tenté d’expliquer cette différence par les nombres d’électrons différents. Mais l’équipe a désormais découvert que c’est l’orientation magnétique des atomes qui joue un rôle décisif – ce qu’on appelle le spin.
À trois, on ne peut pas se regarder dans les yeux
Le spin d’un tel atome peut prendre différents états. Dans cette structure cristalline, il est avantageux pour des atomes voisins d’avoir des directions de spin aussi opposées que possible – par exemple l’un vers le haut, l’autre vers le bas. « Or, dans le cas de notre catalyseur, nous avons affaire à un triangle formé de trois atomes de fer », explique Patrick Lechner (Université de Vienne). « Cela signifie que les deux premiers atomes de fer peuvent adopter des orientations magnétiques opposées, mais que le troisième ne peut plus satisfaire à cette exigence. » Ce phénomène est appelé « frustration magnétique ».
« C’est comme si trois personnes assises à une table voulaient toutes se trouver exactement face à face », explique Patrick Lechner. « Les deux premières peuvent se regarder directement dans les yeux. Mais c’est impossible pour les trois en même temps. »
Un triangle de chromatomes, en revanche, se comporte de manière fondamentalement différente : ici, deux des atomes établissent un couplage magnétique nettement plus étroit et forment en quelque sorte un couple. Le troisième ne s’y couple que faiblement – comme si deux personnes se tournaient l’une vers l’autre et se parlaient directement, tandis que la troisième reste à l’écart.
Tout dépend de l’intensité du couplage
Il s’est avéré que ces différents couplages magnétiques sont étroitement liés au fait que l’azote se lie aux atomes métalliques avec une intensité variable depuis l’extérieur. Dans le cas des atomes de fer présentant une « frustration magnétique », on observe une force de liaison modérée entre le fer et l’azote – suffisamment forte pour retenir cet azote et le transformer en ammoniac, mais suffisamment faible pour libérer ensuite les atomes d’azote. C’est presque optimal : cela permet de produire les molécules d’ammoniac les unes après les autres.
Dans le cas des atomes de chrome, en revanche, la liaison avec l’azote est nettement plus forte. Cela signifie que cet azote ne peut plus être libéré assez rapidement, que le site métallique reste occupé et que la structure ne peut plus retenir d’azote supplémentaire. Cette structure n’est donc pas adaptée en tant que catalyseur.
Les travaux de l’équipe montrent que, même lorsque la structure du cristal est par ailleurs parfaitement identique, le choix du métal peut déterminer la manière dont les spins interagissent. « Cette empreinte magnétique est un élément clé pour comprendre comment ces matériaux fonctionnent en tant que catalyseurs », souligne Leticia González (Université de Vienne).
« Nous pouvons désormais, en quelque sorte, observer comment les atomes métalliques communiquent magnétiquement entre eux à un nœud de ces cristaux, et quelles en sont les conséquences sur le comportement du matériau en tant que catalyseur », explique Dominik Eder (Université technique de Vienne). « C’est une étape importante vers une production d’ammoniac économe en énergie. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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