Vers un monde équitable et durable

La catalyse est à l'origine de 95 % des processus chimiques industriels et affecte directement plus d'un tiers du produit intérieur brut (PIB) mondial. Qu'est-ce que la catalyse ? C'est le processus qui permet d'augmenter la vitesse d'une réaction chimique, de l'"aider", au moyen d'un catalyseur, un "starter". Le catalyseur n'est pas consommé par la réaction, ni modifié par elle, et peut continuer à "aider" indéfiniment (bien qu'en pratique, les catalyseurs peuvent se désactiver en quelques secondes ou quelques années).

De nombreux catalyseurs sont constitués de nanoparticules sur un support, qui peuvent avoir des structures variées. Une particule plus petite a des surfaces plus irrégulières, avec des pics et des vallées, et présente plus d'atomes qui "dépassent". Une particule plus grande aura plus de zones plates. La forme et la taille des nanoparticules devraient influer sur leur efficacité à catalyser une réaction, selon que la réaction nécessite les pics et les vallées ou les surfaces plates. Sauf que parfois, la forme semble n'avoir absolument aucun effet : que les particules soient grandes ou petites, la réaction se produit à la même vitesse. C'est ce qu'on appelle "l'insensibilité à la structure". Il s'agit d'un phénomène observé empiriquement, mais qui est resté longtemps inexpliqué. Il était déjà théoriquement admis qu'il ne devait pas exister. Aujourd'hui, la professeure Charlotte Vogt de la faculté de chimie Schulich du Technion, en collaboration avec une équipe internationale de scientifiques, a trouvé la réponse.

Le professeur Vogt a utilisé des méthodes de caractérisation avancées, notamment des accélérateurs de particules et la spectroscopie rapide, pour découvrir que les réactions ne sont en fait insensibles à la structure qu'en apparence. En réalité, ce qui se passe, c'est que la nanoparticule de catalyseur subit une restructuration rapide. Elle change de forme et ne présente pas les "surfaces planes" attendues, mais des pics et des vallées, ne laissant exposés que des sites réactifs spécifiques. Le processus est si rapide que, sans la nouvelle technologie et une conception expérimentale intelligente, il n'aurait pas pu être observé.

L'étude est le fruit d'une collaboration entre le Technion, l'université d'Utrecht, l'université d'Eindhoven, le laboratoire national d'Oak Ridge, l'université de Stony Brook et l'institut Paul Scherrer. Elle a été publiée récemment dans Nature Communications.

La catalyse joue un rôle tellement important dans presque toutes les industries ; il est facile de voir comment la compréhension des catalyseurs et leur amélioration peuvent avoir un impact significatif. Le professeur Vogt explique : "Je crois que la clé d'un avenir plus vert et plus durable réside dans de meilleurs catalyseurs. Imaginez, par exemple, que vous puissiez transformer le CO2 en composés utiles. Cela ressemble à de la science-fiction. En réalité, un tel processus est théoriquement possible, mais il n'est pas encore efficace sur le plan énergétique. Pour l'instant, il créerait plus de pollution qu'il ne permettrait d'en économiser. Si, toutefois, nous pouvions réduire la quantité d'énergie requise, ou si nous étions en mesure de régler le catalyseur pour fabriquer des produits spécifiques, si nous pouvions trouver des catalyseurs qui faciliteraient ces choses, cela deviendrait soudainement faisable. Rappelez-vous, les pluies acides étaient un problème dont nous parlions il y a encore deux décennies ; et maintenant nous ne le faisons plus. Il a été résolu, grâce aux catalyseurs".

Le professeur Vogt, âgée de 30 ans, est née aux Pays-Bas. Elle est arrivée en Israël pour son doctorat et, pour reprendre ses mots, est tombée amoureuse du pays. "Cet endroit est incroyable", dit-elle. "J'aime le soleil, les plages, la nourriture, la société dynamique. J'aime l'ouverture et la chaleur des gens. On m'a fait sentir que j'étais la bienvenue ici. Il y a aussi un autre aspect : vous appréciez la famille, mais aussi un style de vie moderne ; en tant que femme, on n'attend pas de moi ici que je choisisse entre une carrière et une famille - je peux avoir les deux."

En tant que scientifique également, le professeur Vogt est heureux. "Il y a ici une culture de la recherche de la connaissance", dit-elle. "J'aime les sciences appliquées, mais à mon avis, pour avoir un véritable impact, il faut se baser sur la recherche fondamentale. En Israël, cette dernière est appréciée, et également financée. Je suis reconnaissante envers des organismes tels que la Fondation israélienne pour la science, qui financent la recherche sans exiger immédiatement des objectifs pratiques. Ils permettent aux scientifiques de "jouer" avec des idées et des expériences et de faire de nouvelles découvertes. Ces découvertes sont à la base de développements technologiques révolutionnaires dans le temps. C'est la différence entre entrer dans une pièce dans le but de trouver un outil particulier, et entrer simplement dans la même pièce pour explorer ce qui s'y trouve. Dans le premier cas, vous trouverez l'outil que vous cherchez, et seulement cela. Dans le second, vous pourriez trouver quelque chose de bien meilleur ! C'est la différence entre les améliorations progressives - qui sont également importantes - et les véritables percées scientifiques." Des étudiants en Israël, elle dit : "Ils viennent à moi avec des idées - ils n'attendent pas qu'on leur dise quoi faire." Et l'infrastructure est également ce dont elle a besoin. "Avant, je devais prendre l'avion entre les Pays-Bas et les États-Unis pour faire certaines de mes recherches. explique-t-elle. "Maintenant, je vais avoir presque tous les équipements dont j'ai besoin à côté, par exemple au centre de nanoélectronique Sarah et Moshe Zisapel."

En 2019, le professeur Vogt a remporté le prix de la Société israélienne du vide (IVS) pour ses "réalisations exceptionnelles en début de carrière". Cette année, elle a été incluse dans le Forbes 30 under 30 Europe, et a reçu le prix Clara Immerwahr - un prix pour la promotion de l'équité et de l'excellence dans la recherche sur la catalyse, encourageant les jeunes femmes scientifiques au début de leur carrière. Elle a ouvert le laboratoire Catalysis for Fuels of the Future à la faculté de chimie Schulich et a rejoint le Grand Technion Energy Program (GTEP)en mars 2021. Elle cherche maintenant à étudier les réactions catalytiques dans toute la complexité qu'impliquent leurs applications dans la vie réelle, à élucider le mécanisme de réactions variées et à appliquer ces connaissances pour aider à concevoir de nouveaux catalyseurs et de meilleurs procédés afin de réduire le changement climatique.

Pour accéder à l'article dans Nature Communications, cliquez ici