Les catalyseurs font partie de ces choses auxquelles peu de gens pensent, au-delà peut-être de la chimie au lycée, mais ils font tourner le monde. Presque tout dans votre vie quotidienne dépend des catalyseurs : les voitures, les Post-It, les détergents à lessive, la bière.

Les catalyseurs sont partout autour de nous.

Les catalyseurs font partie de ces choses auxquelles peu de gens pensent beaucoup, au-delà peut-être de la chimie au lycée, mais ils font tourner le monde. Presque tout dans votre vie quotidienne dépend des catalyseurs : les voitures, les Post-It, les détergents à lessive, la bière. Tous les éléments de votre sandwich : pain, cheddar, rôti de dinde. Les catalyseurs décomposent la pâte à papier pour produire le papier lisse de votre magazine. Ils nettoient vos lentilles de contact chaque soir. Ils transforment le lait en yaourt et le pétrole en pots à lait en plastique, en CD et en casques de vélo.

Qu’est-ce que la catalyse ?

Les catalyseurs accélèrent une réaction chimique en diminuant la quantité d’énergie dont vous avez besoin pour en déclencher une. La catalyse est l’épine dorsale de nombreux processus industriels, qui utilisent des réactions chimiques pour transformer des matières premières en produits utiles. Les catalyseurs font partie intégrante de la fabrication des plastiques et de nombreux autres articles manufacturés.

Même le corps humain fonctionne avec des catalyseurs. De nombreuses protéines de votre corps sont en fait des catalyseurs appelés enzymes, qui font tout, de la création de signaux qui font bouger vos membres à l’aide à la digestion de vos aliments. Ils sont vraiment une partie fondamentale de la vie.

De petites choses peuvent avoir de grands résultats.

Dans la plupart des cas, il suffit d’une infime quantité d’un catalyseur pour faire la différence. Même la taille de la particule de catalyseur peut changer la façon dont une réaction se déroule. L’année dernière, une équipe de l’Argonne, dont le spécialiste des matériaux Larry Curtiss, a découvert qu’un catalyseur à base d’argent est plus performant lorsqu’il se trouve dans des nanoparticules de quelques atomes de large. (Le catalyseur transforme le propylène en oxydes de propylène, ce qui constitue la première étape de la fabrication d’antigel et d’autres produits).

Il peut rendre les choses plus vertes.

Les procédés de fabrication industrielle du plastique et d’autres articles essentiels produisent souvent des sous-produits désagréables qui peuvent présenter des dangers pour la santé humaine et l’environnement. De meilleurs catalyseurs peuvent aider à résoudre ce problème. Par exemple, le même catalyseur à l’argent produit en fait moins de sous-produits toxiques, ce qui rend l’ensemble de la réaction plus respectueuse de l’environnement.

Au fond, un catalyseur est un moyen d’économiser l’énergie. Et l’application des catalyseurs à grande échelle pourrait permettre au monde d’économiser beaucoup d’énergie. Trois pour cent de toute l’énergie utilisée aux États-Unis chaque année sert à convertir l’éthane et le propane en alcènes, qui sont utilisés pour fabriquer des plastiques, entre autres choses. C’est l’équivalent de plus de 500 millions de barils d’essence.

Les catalyseurs sont aussi la clé pour débloquer les biocarburants. Toute biomasse – maïs, panic raide, arbres – contient un composé résistant appelé cellulose, qui doit être décomposé pour fabriquer du carburant. Trouver le catalyseur parfait pour désintégrer la cellulose rendrait les biocarburants moins chers et plus viables en tant que source d’énergie renouvelable.

Souvent, nous n’avons aucune idée de la raison pour laquelle ils fonctionnent.

Les raisons précises pour lesquelles les catalyseurs fonctionnent restent souvent un mystère pour les scientifiques. Curtiss travaille dans la catalyse computationnelle : utiliser des ordinateurs pour s’attaquer à l’interaction compliquée de la physique, de la chimie et des mathématiques qui explique comment un catalyseur fonctionne.

Une fois qu’ils ont compris le processus, les scientifiques peuvent essayer de construire un catalyseur qui fonctionne encore mieux en simulant comment différents matériaux pourraient fonctionner à la place. Les configurations potentielles pour les nouveaux catalyseurs peuvent atteindre des milliers de combinaisons, c’est pourquoi les superordinateurs sont les meilleurs pour les traiter.

Lorsqu’Edison construisait l’ampoule électrique, il a testé littéralement des centaines de filaments différents (mettant probablement aussi à l’épreuve la patience de ses assistants de laboratoire) avant de découvrir le filament carbonisé. En profitant des superordinateurs et des technologies modernes, les scientifiques peuvent accélérer les années de tests et de dépenses pour arriver à des percées.

Curtiss effectue des simulations sur le superordinateur Blue Gene/P d’Argonne pour concevoir d’éventuels nouveaux catalyseurs. « Comme les superordinateurs sont devenus plus rapides, nous avons été en mesure de faire des choses que nous n’aurions jamais pu faire il y a 10 ans », a-t-il déclaré.

Ils pourraient être essentiels pour la prochaine grande révolution dans les batteries.

Les batteries lithium-ion nouvellement efficaces ont contribué à transformer les téléphones de voiture encombrants en téléphones cellulaires et ordinateurs portables minces et élégants disponibles aujourd’hui. Mais les scientifiques sont déjà à la recherche de la prochaine révolution dans les batteries – celle qui pourrait un jour rendre une batterie suffisamment légère et puissante pour permettre à une voiture de parcourir 800 km d’un coup. Une idée prometteuse est celle des batteries lithium-air, qui utilisent l’oxygène de l’air comme composant principal. Mais cette nouvelle batterie nécessitera une refonte totale de la chimie interne, et il faudra un nouveau catalyseur puissant pour la faire fonctionner. Une batterie lithium-air fonctionne en combinant des atomes de lithium et d’oxygène, puis en les séparant, encore et encore. C’est une situation taillée sur mesure pour un catalyseur, et un bon catalyseur rendrait la réaction plus rapide et rendrait la batterie plus efficace.

Comment fabrique-t-on un nouveau catalyseur ?

Comprendre la chimie derrière les réactions est la première étape ; ensuite, les scientifiques peuvent utiliser la modélisation pour concevoir de nouveaux catalyseurs potentiels et les faire tester en laboratoire. Mais cette première étape est difficile à moins de pouvoir descendre au niveau atomique pour voir ce qui se passe pendant une réaction. C’est là que les grandes installations scientifiques comme l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne brillent.

À l’APS, les scientifiques peuvent utiliser les rayons X les plus brillants des États-Unis pour suivre les réactions en temps réel. Au centre de microscopie électronique du laboratoire, les chercheurs prennent des photos des atomes pendant qu’ils réagissent. Curtiss et son équipe ont utilisé ces deux moyens dans leur recherche de meilleurs catalyseurs.