La RMN révèle les sites actifs de catalyseurs à base d’atomes de platine isolés

Les métaux jouent un rôle central en catalyse hétérogène en facilitant de nombreuses réactions. Leur dispersion sous forme d’atomes isolés sur un support permet non seulement une utilisation optimale de ces éléments mais aussi une amélioration notable de la réactivité et de la stabilité des catalyseurs. Cette approche ouvre la voie à de nouvelles stratégies catalytiques susceptibles de transformer en profondeur le domaine de la catalyse hétérogène.

Le platine en est un exemple emblématique. Il catalyse avec une grande efficacité de nombreuses réactions qu'elles soient électro-, photo- ou thermo-catalytiques. Toutefois, en raison de sa rareté et de son coût élevé, il est crucial d’en exploiter chaque atome au mieux afin de réduire les quantités nécessaires. L’enjeu consiste donc à maximiser la surface active accessible aux réactifs, autrement dit à exposer aux réactifs le plus grand nombre possible d’atomes de platine. 

Pour y parvenir, plusieurs stratégies sont mises en œuvre comme la synthèse de nanoparticules métalliques ou le dépôt en couches minces sur des supports adaptés. L’étape ultime consiste à déposer le platine atome par atome au sein de matériaux nanoporeux, le plus souvent à base de matériaux carbonés dopés à l’azote (NC). Les atomes dispersés ont alors différents sites d’ancrage qui restent difficiles à caractériser. Mieux comprendre leur réactivité exceptionnelle nécessite pourtant de connaitre précisément leurs environnements de coordination, leur distribution ou encore leur évolution en conditions catalytiques.

Les scientifiques du Centre de RMN à très hauts champs de Lyon (CNRS/Ecole Normale Supérieure de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec une équipe de l’ETH Zürich, viennent de montrer que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide du ¹⁹⁵Pt se montrait particulièrement efficace pour sonder l’environnement de coordination des atomes de platine dispersés sur ces supports carbonés. Leurs études ont été réalisées sur différents supports pour différentes concentrations de platine allant de 15 à 1 % en poids.  Grâce à des simulations de type Monte Carlo et des calculs de fonctionnelle de la densité (DFT), les signatures RMN des atomes de ¹⁹⁵Pt ont révélé les environnements locaux des centres métalliques (nombre d’atomes d’azote, de carbone ou de chlore entourant le Pt), tout en quantifiant la distribution des sites catalytiques dans la matrice et leur homogénéité. 

Cette méthodologie a également permis un suivi quantitatif de l'évolution de cet environnement de coordination au cours de la réaction catalytique mais également selon la nature du support. Les scientifiques ont ainsi pu mettre en évidence les effets de surface sur l’activité, ce qui permet de mieux comprendre les différences de réactivité observées ainsi que les origines possibles de la désactivation du catalyseur.

Cette approche, qui permet de visualiser avec une précision inédite les environnements du métal sous forme atomique, ouvre la voie à la conception rationnelle de nouvelles générations de catalyseurs atomiquement dispersés. Elle offre en effet des repères structuraux précieux pour optimiser les supports et stabiliser des sites métalliques bien définis. Des résultats à retrouver dans la revue Nature.

Rédacteur : CCdM