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Aug 20, 2023

Effets mécanochimiques sous-jacents à l'hydrogénation catalytique activée mécaniquement du monoxyde de carbone

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2470 (2023) Citer cet article

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Dans ce travail, nous mettons en évidence et mesurons l'intensité des effets mécanochimiques à l'œuvre dans l'hydrogénation du monoxyde de carbone en comparant l'activité d'un catalyseur Co–Fe supporté soumis respectivement à un broyage à billes et à une simple agitation de poudre. En tenant dûment compte de la nature discontinue du broyage à boulets, nous montrons que l'hydrogénation mécanochimique se déroule à un taux significativement plus élevé et divulguons son lien avec les impacts individuels. Des preuves expérimentales suggèrent que l'activité catalytique accrue que nous observons peut être attribuée à des processus locaux affectant la quantité de poudre impliquée dans les impacts individuels.

Facile à utiliser et apparemment simple, le traitement mécanique par broyage à boulets (BM) est une méthode polyvalente pour broyer, mélanger et faire réagir les solides granulaires1,2. Les particules de poudre piégées entre deux outils de fraisage à impact sont soumises à un compactage dynamique à des taux de déformation relativement élevés, subissant des chaînes de force hétérogènes qui se propagent à travers leurs points de contact. Lorsque les contraintes mécaniques locales dépassent la limite d'élasticité, les particules se déforment1,2. Sous l'effet d'une intense activité de dislocation, de nouvelles surfaces et interfaces sont générées, tandis que des espèces chimiques peuvent subir des mélanges forcés et des combinaisons chimiques1,2,3. Cette forme de chimie porte le nom de mécanochimie4.

Au cours des 50 dernières années, les méthodes mécanochimiques ont permis la fabrication de superalliages renforcés par dispersion d'oxydes5, de métaux amorphes5,6,7 et de matériaux nanocristallins7,8,9,10. De même, ils ont été utilisés pour déclencher des réactions à haute température auto-propagées11, faciliter les processus d'absorption et de désorption de gaz12,13, dégrader les polluants14,15, améliorer la lixiviation des minéraux16,17 et améliorer la conversion de la biomasse18,19. Plus récemment, le traitement mécanique a ouvert la voie à des voies de synthèse efficaces sans solvant vers la chimie fine et les produits pharmaceutiques20,21,22,23. Cela a valu à la mécanochimie de figurer parmi les dix premières innovations chimiques susceptibles de rendre les productions chimiques plus durables24.

En raison de son application réussie à la préparation de nouveaux matériaux, ainsi qu'à l'activation et à l'intensification des processus chimiques, la BM est généralement considérée comme une alternative avantageuse aux méthodes plus conventionnelles25,26. Néanmoins, la comparaison se fait principalement sur une base phénoménologique. En règle générale, une réaction chimique donnée atteint des rendements plus élevés, voire une conversion complète, dans des conditions de BM, alors que son homologue classique affiche des rendements plus faibles ou ne se produit pas du tout. Bien que cela suggère que la BM peut parfois être supérieure, l'évaluation quantitative de ses capacités fait considérablement défaut.

En réalité, cela fait près de 50 ans que la mécanochimie défie les tentatives des scientifiques pour révéler ses mécanismes les plus intimes. Avant la preuve évidente que les forces mécaniques et les forces motrices thermodynamiques se combinent pour donner naissance à une nouvelle chimie loin de l'équilibre, des voies de transformation chimique alternatives et des produits de réaction inattendus ont été expliqués de manière générique en invoquant des effets mécanochimiques insaisissables. Alors que cette affirmation trouve sa justification dans les relations réciproques d'Onsager pour les processus irréversibles, les effets mécanochimiques sont restés à l'arrière-plan de la chimie activée par les forces mécaniques, insaisissables et pourtant perceptibles.

Dans ce travail, nous abordons précisément cette question. Plus précisément, nous évaluons l'intensité des effets mécanochimiques, si fréquemment et couramment invoqués pour expliquer les preuves expérimentales. Dans ce but, nous avons étudié comment BM affecte l'hydrogénation catalytique du monoxyde de carbone (CO).

Trois caractéristiques principales justifient notre choix. Premièrement, l'hydrogénation conventionnelle du CO implique un catalyseur solide et des espèces gazeuses27,28,29, et son homologue mécanochimique peut être réalisée dans les mêmes conditions de pression et de température nominales, ce qui est une condition fondamentale pour une comparaison significative. Deuxièmement, la réaction entre le CO et l'hydrogène (H2) a été étudiée depuis les années 1920 en raison de sa pertinence pour la synthèse Fischer-Tropsch, et des catalyseurs avec une activité bien caractérisée sont disponibles30,31,32,33. Troisièmement, nous avons étudié l'hydrogénation mécanochimique du CO dans le passé34,35, ce qui nous fournit le contexte nécessaire pour relever le défi de quantifier les effets mécanochimiques.

Tirant parti des études précédentes, nous avons mené des expériences en utilisant un catalyseur bimétallique cobalt-fer (Co-Fe) supporté sur du dioxyde de titane (TiO2)36,37,38. Nous avons planifié les expériences avec l'objectif spécifique de démêler la relation entre la conversion chimique et les conditions de BM. Dans ce but, des expériences ont été réalisées en utilisant, séparément, des poudres de catalyseur convenablement activées sous H2 et des catalyseurs vierges jamais exposés à H2. Plus précisément, nous évaluons le nombre de moles de CO converties par impact pendant le BM en présence d'une seule boule de broyage et le comparons de manière appropriée avec le résultat de cycles catalytiques plus conventionnels où les poudres de catalyseur sont simplement agitées à l'intérieur du réacteur de broyage sans boule de broyage. Nous montrons que, une fois que la dynamique BM est convenablement considérée, le processus mécanochimique est de plusieurs ordres de grandeur plus efficace.

Le présent travail s'articule autour des preuves expérimentales résumées à la Fig. 1. Les deux ensembles de données présentés à la Fig. 1a se réfèrent à des expériences réalisées à l'aide de poudres de catalyseur activées sous H2 et exposées à une atmosphère de CO-H2 (voir les informations complémentaires SI.1 pour plus de détails). Les données consistent simplement en le nombre de moles de CO ayant réagi sur les poudres de catalyseur, \(n\), en fonction du temps, \(t\). Ils ont été obtenus dans des conditions de BM et d'agitation des poudres (PA) à température ambiante. Dans les deux cas, \(n\) varie linéairement avec \(t\). Les pentes des tracés linéaires indiquent que la vitesse de réaction la plus élevée est associée au processus catalytique impliquant BM, où les poudres de catalyseur subissent des impacts (voir les informations complémentaires SI.1 pour plus de détails). En particulier, la vitesse de réaction sur des poudres de catalyseur activé subissant BM, \({r}_{act,BM}\), est égale à environ 0,283 mmol h-1, alors que la vitesse de réaction sur des poudres de catalyseur activé subissant PA, \({r}_{act,PA}\), est d'environ 0,198 mmol h-1.

Le nombre de moles de CO ayant réagi, \(n\), en fonction du temps, \(t\), dans les conditions BM (noir) et PA (rouge). Les données se réfèrent au CO ayant réagi sur (a) des poudres de catalyseur activées sous H2, et (b) des poudres de catalyseur vierges. (c) Le nombre de moles de CO, \(n\), ayant réagi sur des poudres de catalyseur vierges soumises à BM (noir) est comparé à la différence du nombre de moles de CO, \(\Delta n\), qui réagissent dans des conditions BM et PA sur des poudres de catalyseur activées sous H2 (vert).

Les données obtenues à partir d'expériences réalisées avec des poudres de catalyseur vierges jamais activées sous H2 sont tracées à la Fig. 1b (voir les informations complémentaires SI.1 pour plus de détails). Contrairement au cas précédent, le PA n'entraîne pas de réaction chimique. En revanche, BM induit une augmentation linéaire \(n\) à un taux \({r}_{prist,BM}\) d'environ 0,083 mmol h−1.

Il semble que les impacts améliorent l'activité des poudres de catalyseur activées et vierges. À cet égard, la différence entre le nombre de moles de CO ayant réagi sur les poudres de catalyseur activées sous H2 puis soumises aux conditions BM et PA, \(\Delta n\), fournit un aperçu supplémentaire. En effet, les données représentées sur la figure 1c montrent que \(\Delta n\) augmente linéairement à un taux \({r}_{act,BM-PA}\) d'environ 0,081 mmol h−1. Les valeurs \({r}_{act,BM-PA}\) et \({r}_{prist,BM}\) sont si similaires qu'il est raisonnable de déduire que les impacts ont approximativement le même effet sur les poudres de catalyseur activées et vierges.

À la lumière de ces preuves, nous avons mené de nouvelles expériences pour étudier plus avant l'effet des impacts sur la poudre de catalyseur vierge. Dans ce but, nous avons soumis des poudres de catalyseur vierges à BM pendant un intervalle de temps \(\Delta t\), interrompu BM pendant le même intervalle de temps, puis redémarré BM. Nous avons répété le cycle plusieurs fois, en utilisant différents intervalles de temps \(\Delta t\) (voir les informations complémentaires SI.2 pour plus de détails). Les résultats typiques sont présentés sur la figure 2a, où le nombre de moles de CO ayant réagi, \(n\), est tracé en fonction du temps, \(t\). On peut voir que \(n\) augmente linéairement lorsque les poudres de catalyseur subissent BM. A l'inverse, aucune conversion chimique n'est observée lorsque le BM est interrompu. Le nombre d'interruptions et la longueur de \(\Delta t\) n'affectent pas la vitesse de réaction \({r}_{prist,BM}\), qui reste égale à environ 0,082 mmol h−1 en accord remarquable avec les valeurs de \({r}_{prist,BM}\) mesurées dans les expériences précédentes (voir les informations complémentaires SI.2 pour plus de détails).

Le nombre de moles de CO ayant réagi dans des conditions de BM sur des poudres de catalyseur vierges, \(n\), en fonction du temps, \(t\). Les données se réfèrent à des expériences dans lesquelles (a) BM a été interrompu et le flacon n'a jamais été ouvert, et (b) BM a été interrompu et le flacon ouvert. Les flèches indiquent les intervalles de temps pendant lesquels les poudres de catalyseur vierges ont été soumises à BM. Les lignes les mieux ajustées (pointillés, rouges) sont affichées.

Dans d'autres expériences, nous avons soumis des poudres de catalyseur vierges au BM pendant un intervalle de temps donné \(\Delta t\). Ensuite, nous avons interrompu BM, ouvert le réacteur sous atmosphère inerte et l'avons scellé à nouveau, en le remplissant ensuite avec le mélange CO-H2 (voir les informations complémentaires SI.2 pour plus de détails). Enfin, nous avons redémarré BM pour le même intervalle de temps. Des données représentatives sont présentées sur la figure 2b. Encore une fois, \(n\) augmente linéairement à un taux \({r}_{prist,BM}\) d'environ 0,085 mmol h−1. Nous observons que la longueur de \(\Delta t\) n'affecte pas \({r}_{prist,BM}\) (voir les informations complémentaires SI.2 pour plus de détails).

Les preuves expérimentales obtenues jusqu'à présent indiquent que la réaction catalytique ne se déroule que lorsque les poudres de catalyseur vierges subissent un BM et qu'elle s'arrête immédiatement lorsque le BM est interrompu. Nous concluons que l'activité catalytique présentée par les poudres de catalyseur vierge peut être attribuée aux impacts et que la réaction globale d'hydrogénation du CO peut être considérée comme la somme des contributions indépendantes des impacts individuels. Dans ces circonstances, notre attention doit passer nécessairement du continu au discret, c'est-à-dire du temps \(t\) au nombre d'impacts, \(m\).

La quantité qui permet cette transition est la fréquence d'impact, \(f\). Une fois que \(f\) est connu, \(m\) peut être calculé par le produit \(ft\). Particulièrement en présence d'une seule bille de broyage, \(f\) peut être facilement mesuré en équipant le réacteur de capteurs piézoélectriques capables de détecter tout impact entre la bille de broyage et le réacteur39,40,41 (voir Supporting Information SI.3 pour plus de détails). Une séquence représentative de signaux piézoélectriques est illustrée à la Fig. 3.

L'intensité, \(I\), des signaux générés par le capteur piézoélectrique en fonction du temps, \(t\). Les données se réfèrent à une expérience BM réalisée en balançant le réacteur à 14,6 Hz.

Une fréquence d'impact moyenne \(f\) d'environ 29,3 Hz peut être évaluée à partir de l'analyse de séquences similaires. Cette valeur est environ le double de la fréquence d'oscillation du réacteur, ce qui correspond à 14,6 Hz. Ensuite, deux impacts par cycle d'oscillation du réacteur ont lieu39,40,41 (voir les informations complémentaires SI.3 pour plus de détails).

Avec ces informations, nous pouvons facilement calculer le nombre moyen de moles de CO ayant réagi sur des poudres de catalyseur vierges en raison d'impacts individuels, \({n}_{imp}\). Cette quantité s'élève à environ 7,89 × 10–7 mmol, et son évaluation représente la première étape pour comparer correctement l'activité catalytique induite dans les poudres de catalyseur vierges par des impacts et l'activité catalytique présentée par les poudres de catalyseur activé dans des conditions PA.

Dans ce but, nous notons que la réaction de \({n}_{imp}\) moles de CO induite par un seul impact peut nécessiter un temps caractéristique, \(\tau \). La connaissance de \(\tau \) permettrait d'évaluer le taux de réaction associé aux impacts individuels, \({r}_{imp}\), comme le rapport entre \({n}_{imp}\) et \(\tau \). Malheureusement, mesurer \(\tau \) est hors de portée. Nous ne pouvons qu'estimer grossièrement ses limites inférieure et supérieure. La limite inférieure peut être identifiée avec la durée de l'impact. Les preuves théoriques et expérimentales des impacts élastiques suggèrent qu'elle varie entre 0,01 et 0,1 ms selon le matériau dont sont faits les corps d'impact42,43,44,45. La présence d'une couche de poudre entre eux prolonge la durée de l'impact, et l'effet dépend de l'épaisseur de la couche46. Une valeur d'environ 1 ms représente un choix raisonnable dans notre cas, bien que probablement excessif. En ce qui concerne la limite supérieure, la littérature suggère que le dépôt d'énergie mécanique dans la poudre impactée peut entraîner une amélioration de la réactivité chimique pendant des intervalles de temps aussi longs que 20 ms47. Par conséquent, 50 ms semblent être un temps caractéristique raisonnable, là encore en excès.

Sur la base de ces considérations, nous supposons que le temps de réaction caractéristique \(\tau \) est compris entre 1 et 50 ms. En conséquence, la vitesse de réaction associée aux impacts individuels, \({r}_{imp}\), varie entre 0,057 et 2,84 mmol h−1. Bien que \({r}_{imp}\) représente la vitesse de réaction mécanochimique, elle ne peut pas être directement comparée à la vitesse de la réaction d'hydrogénation du CO sur des poudres de catalyseur activé dans des conditions PA, \({r}_{act,PA}\). En effet, alors que toute la poudre de catalyseur participe au processus catalytique dans ce dernier cas, la réaction de \({n}_{imp}\) moles de CO par impact ne peut être attribuée qu'à la quantité de poudre de catalyseur impliquée dans l'impact. Par conséquent, nous devons comparer les vitesses de réaction spécifiques, qui peuvent être calculées en divisant les vitesses de réaction par la masse appropriée de poudre de catalyseur.

Étant donné que la réaction d'hydrogénation du CO sur des poudres de catalyseur activé dans des conditions PA est réalisée à l'aide de 8 g de poudre, le taux spécifique d'hydrogénation du CO, \({r}_{act,PA,sp}\), est égal à environ 2,45 × 10–5 mol g−1 h−1. En revanche, seulement environ 0,63 mg de poudre de catalyseur sont impliqués dans les impacts individuels (voir les informations complémentaires SI.4 pour plus de détails). Ensuite, la vitesse de réaction spécifique associée aux impacts individuels, \({r}_{imp,sp}\), varie approximativement entre 0,090 et 4,508 mol g−1 h−1.

La différence d'activité catalytique entre les poudres de catalyseur activé soumises au PA et les poudres de catalyseur vierge soumises aux chocs varie entre 3 et 6 ordres de grandeur. C'est précisément cette différence qui fournit une mesure des effets mécanochimiques découlant de l'occurrence des impacts.

Concernant leur nature, peu de choses peuvent être dites. BM n'induit aucune modification évidente de la structure et de la microstructure de la solution solide de Co-Fe. Il en va de même pour le support TiO2, qui n'est pas affecté par un BM prolongé (voir les informations de support SI.5 pour plus de détails). De plus, des expériences de contrôle avec uniquement des poudres de TiO2 ne révèlent aucune conversion chimique détectable du mélange gazeux réactif (voir les informations complémentaires SI.5 pour plus de détails). Par conséquent, nous concluons que l'amélioration observée de l'activité catalytique induite par les impacts peut s'expliquer par une amélioration correspondante de la réactivité de surface du catalyseur.

Pour donner au moins une idée approximative de ce que cela signifie, supposons que l'hydrogénation du CO dans des conditions de PA présente un comportement de type Arrhenius. La littérature suggère que les barrières d'activation typiques se situent entre 150 et 200 kJ mol-131,48,49,50,51. Une augmentation de 3 à 6 ordres de grandeur de la vitesse de réaction peut résulter d'une réduction de la barrière d'activation, \({E}_{a}\), de moins de 50 kJ mol−1, ou d'une augmentation de la température, \(T\), jusqu'à 500 K, ou d'une combinaison de ces deux facteurs (voir les informations complémentaires SI.5 pour plus de détails). La réduction de la barrière énergétique et l'élévation de la température locale semblent raisonnables et compatibles avec les processus de désordre et d'échauffement provoqués par les impacts.

Nous remarquons en outre que l'activité catalytique des poudres de catalyseur vierges présente une dépendance évidente des conditions de BM. Nous avons modifié la fréquence de fraisage dans la plage comprise approximativement entre 11,6 et 18,3 Hz (voir les informations complémentaires SI.3 pour plus de détails). En conséquence, l'énergie d'impact, c'est-à-dire l'énergie transférée par la balle aux poudres lors de chaque impact, \({E}_{imp}\), a changé entre 0,070 et 0,162 J. Comme le montre la figure 4a, l'énergie d'impact affecte définitivement le taux d'hydrogénation du CO. La variation linéaire du nombre de moles de CO ayant réagi, \(n\), avec le nombre d'impacts, \(m\), devient de plus en plus abrupte à mesure que \({E}_{imp}\) augmente.

(a) Le nombre de moles de CO ayant réagi, \(n\), en fonction du temps, \(t\), lors du broyage à billes en présence d'une seule bille de broyage. Les données se réfèrent au CO ayant réagi sur des poudres de catalyseur vierges jamais exposées à H2 à des fins d'activation du catalyseur. Les différents ensembles de données ont été obtenus en utilisant une fréquence de fraisage de 11,6 Hz (noir), 13,3 Hz (rouge), 14,6 Hz (vert), 15,0 Hz (bleu), 16,6 Hz (cyan) et 18,3 Hz (magenta). (b) Le nombre de moles de CO ayant réagi sur des poudres de catalyseur vierges lors d'impacts individuels, \({n}_{prist,imp}\), en fonction de l'énergie d'impact, \({E}_{imp}\). La ligne la mieux ajustée est affichée (pointillé, rouge). L'énergie d'impact minimale requise pour activer la réaction, \({E}_{0,imp}\), est indiquée.

On peut facilement voir sur la figure 4b que \({r}_{prist,BM}\) varie linéairement avec \({E}_{imp}\). Les points expérimentaux peuvent être mieux ajustés par une ligne qui croise l'axe des abscisses à une valeur positive finie d'environ 0,035 J, ci-après notée \({E}_{0,imp}\). Par conséquent, la ligne la mieux ajustée est décrite par l'équation

où \(\rho \), égal à environ 11,2 × 10–6 mmol J−1, peut être interprété comme le nombre de moles de CO ayant réagi sur des poudres de catalyseur vierges par unité d'énergie d'impact. L'équation (1) suggère que l'hydrogénation du CO sur des poudres de catalyseur vierge nécessite une énergie d'impact minimale \({E}_{0,imp}\). En fait, aucune réaction n'est observée lorsque \({E}_{imp}\) est en dessous de ce seuil. Nous relions l'énergie d'impact minimale à l'apparition de processus de déformation mécanique spécifiques, non encore identifiés, liés à la mécanique de contact local à l'échelle microscopique.

Bien que les raisons ultimes de nos résultats nécessitent des investigations plus approfondies et plus spécifiques sur l'échelle des impacts individuels, nous pouvons certainement affirmer que les effets mécanochimiques sont clairement discernables et mesurables, déterminant pour les poudres de catalyseurs activés et vierges une amélioration de l'activité catalytique de plusieurs ordres de grandeur. La linéarité de la conversion catalytique lors du traitement mécanique du catalyseur, qu'il ait été préalablement activé ou non à l'aide de H2, mérite également d'être notée. Tant le traitement mécanique par broyage à billes que l'hydrogénation catalytique du CO sont, en effet, des procédés non linéaires, de sorte que l'on peut raisonnablement s'attendre à ce que leur combinaison ne donne pas lieu à des effets parfaitement linéaires. Cependant, la justification de nos observations doit être recherchée, une fois de plus, dans les processus activés, à l'échelle microscopique, par les impacts individuels. Nous sommes convaincus que le développement de méthodologies appropriées pour comparer les réactions activées mécaniquement avec leurs homologues plus conventionnels et la quantification systématique des effets mécanochimiques peuvent potentiellement ouvrir une nouvelle saison d'étude dans le domaine.

Les poudres de catalyseur ont été préparées à l'aide de poudres de Co et de Fe élémentaires de haute pureté et de poudres de TiO2 anatase. Une solution solide nanocristalline équimolaire chimiquement désordonnée a été fabriquée par mécanosynthèse. Les poudres de Co50Fe50 résultantes ont été finement dispersées sur des poudres de TiO2 anatase par traitement mécanique. Dans tous les cas, les expériences ont été réalisées sous atmosphère d'Ar en utilisant des billes en acier inoxydable et un flacon en acier inoxydable balancé par un SPEX Mixer/Mill 8000. La taille finale des particules de poudre a été mesurée avec un Malvern Zetasizer nano s90.

Des essais catalytiques ont été effectués en utilisant des poudres de catalyseur telles que préparées et après une activation appropriée. Dans ce but, des poudres de catalyseur vierges ont été exposées pendant 48 h à un flux gazeux d'H2 à la pression de 1 MPa et à la température de 450 K.

La formation de la solution solide nanocristalline de Co50Fe50 par alliage mécanique et sa dispersion ultérieure sur des poudres de TiO2 anatase par traitement mécanique ont été contrôlées par diffraction des rayons X aux grands angles (DRX). Les modèles XRD ont été analysés avec la méthode de Rietveld. La surface spécifique totale a été mesurée par physisorption de N2 selon la méthode BET. La courbe d'adsorption révèle une structure non poreuse. La surface spécifique de la phase de solution solide Co50Fe50 catalytiquement active a été mesurée par chimisorption de H2 et CO. La microscopie électronique à balayage et à transmission (SEM et TEM) a été utilisée pour estimer la taille caractéristique de la phase Co50Fe50 catalytiquement active.

Les réactions d'hydrogénation du CO ont été réalisées sur des poudres de catalyseur vierges et des poudres de catalyseur activées sous H2. Dans les deux cas, 8 g de poudres catalytiques ont été utilisées. Les poudres de catalyseur ont été placées à l'intérieur d'un flacon en acier inoxydable fermé par un bouchon équipé de soupapes de pression étanches aux gaz pour l'entrée et la sortie des gaz. L'atmosphère initiale d'Ar a été remplacée par le mélange gazeux 1:3 CO:H2 souhaité via plusieurs cycles de purge-remplissage. La pression du gaz a été fixée à 0,3 MPa. Toutes les expériences ont été réalisées à température ambiante.

Deux types d'expériences ont été réalisées. D'autre part, des poudres de catalyseur vierges ou des poudres de catalyseur activées sous H2 ont été simplement agitées. Dans ce but, aucune bille de broyage n'a été placée à l'intérieur du flacon balancé par le SPEX Mixer/Mill 8000. En revanche, des poudres de catalyseur vierges ou des poudres de catalyseur activées sous H2 ont été soumises à un traitement mécanique en présence d'une seule bille en acier inoxydable de 12 g. Dans ce dernier cas, la dynamique de broyage a été surveillée à l'aide d'un transducteur piézoélectrique convenablement collé à la base inférieure du flacon en acier inoxydable.

Des expériences de contrôle ont été réalisées en utilisant des poudres de TiO2 anatase.

Le mélange gazeux à l'intérieur du flacon a été analysé toutes les 15 min par chromatographie en phase gazeuse (GC) à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse Fisons 8000 équipé d'un détecteur HWD. Le gaz a été prélevé automatiquement par une vanne de gaz placée sur le bouchon du flacon en acier inoxydable et injecté dans la colonne GC. Les hydrocarbures formés par l'hydrogénation du CO, principalement du méthane, ont été surveillés dans des expériences indépendantes avec un chromatographe en phase gazeuse Perkin Elmer 8600 équipé d'un détecteur FID. Les espèces gazeuses ont été identifiées sur la base de la comparaison des temps de rétention caractéristiques des étalons commerciaux avec des étalons expérimentaux. Les quantités absolues et relatives de CO, H2 et d'hydrocarbures ont été déterminées par évaluation de la surface des pics.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de l'étude actuelle ne peuvent pas être partagés pour le moment car ils font également partie d'une étude en cours. Cependant, ils peuvent être disponibles en tout ou en partie auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Sopicka-Lizer, M. (éd.) Broyage à billes à haute énergie (Woodhead Publishing, 2010).

Google Scholar

Ranu, B. & Stolle, A. (eds) Ball Milling Towards Green Synthesis: Applications, Projects, Challenges. RSC Green Chemistry Series, n° 31 (Société royale de chimie, Cambridge, 2015).

Boldyreva, E. Mécanochimie des systèmes inorganiques et organiques : Qu'est-ce qui est similaire, qu'est-ce qui est différent ?. Chim. Soc. Rév. 42, 7649–7659 (2013).

Article Google Scholar

Takacs, L. Le développement historique de la mécanochimie. Chim. Soc. Rév. 42, 7719–7738 (2013).

Article Google Scholar

Suryanarayana, C. Alliage mécanique et fraisage. Programme. Mater. Sci. 46, 1-184 (2001).

Article CAS Google Scholar

Suryanarayana, C. Alliage mécanique : Une nouvelle technique pour synthétiser des matériaux avancés. Recherche 2019, 4219812 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Baláž, P. et al. Marques de fabrique de la mécanochimie : des nanoparticules à la technologie. Chim. Soc. Rév. 42, 7571–7637 (2013).

Article PubMed Google Scholar

Witkin, DB & Lavernia, EJ Synthèse et comportement mécanique de matériaux nanostructurés par cryobroyage. Programme. Mater. Sci. 51, 1–60 (2006).

Article CAS Google Scholar

Sepelak, V., Duvel, A., Wilkening, M., Becker, K.-D. & Heitjans, P. Réactions mécanochimiques et synthèses d'oxydes. Chim. Soc. Rév. 42, 7507–7520 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Delogu, F., Gorrasi, G. & Sorrentino, A. Fabrication de nanocomposites polymères par broyage à billes : état actuel et perspectives futures. Programme. Mater. Sci. 86, 75-126 (2017).

Article CAS Google Scholar

Takacs, L. Réactions auto-entretenues induites par le broyage à boulets. Programme. Mater. Sci. 47, 355–414 (2002).

Article CAS Google Scholar

Huot, J. et al. Synthèse mécanochimique de matériaux de stockage d'hydrogène. Programme. Mater. Sci. 58, 30–75 (2013).

Article CAS Google Scholar

Yartys, VA et al. Matériaux à base de magnésium pour le stockage d'énergie à base d'hydrogène : Passé, présent et futur. Int. J. Hydrog. Énergie 44, 7809–7859 (2019).

Article CAS Google Scholar

Cagnetta, G., Huang, J. & Yu, G. Une mini-revue sur le traitement mécanochimique des sols contaminés : du laboratoire à la grande échelle. Crit. Rév. Environ. Sci. Technol. 48, 723–771 (2018).

Article CAS Google Scholar

Qiao, W. et al. Dégradation de l'endosulfan par broyage à haute énergie avec CaO : processus et mécanisme. Environ. Sci. Pollution. Rés. 26, 18541–18553 (2019).

Article CAS Google Scholar

Ou, Z., Li, J. & Wang, Z. Application de la mécanochimie à la récupération des métaux à partir de ressources de seconde main : un aperçu technique. Environ. Sci. Processus. Impacts 17, 1522-1530 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Chen, Z. et al. Suppression de la lixiviation des métaux lourds par broyage à billes des cendres volantes. Énergies 9, 524 (2016).

Article Google Scholar

Qu, T. et al. Broyeur à boulets pour le fractionnement de la biomasse et le prétraitement avec des solutions aqueuses d'hydroxyde. Maintien ACS. Chim. Ing. 5, 7733–7742 (2017).

Article CAS Google Scholar

Kuga, S. & Wu, M. Mécanochimie de la cellulose. Cellulose 26, 215-225 (2019).

Article CAS Google Scholar

James, SL et al. Mécanochimie : Opportunités pour une synthèse nouvelle et plus propre. Chim. Soc. Rév. 41, 413–447 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Friscic, T. Concepts supramoléculaires et nouvelles techniques en mécanochimie : Cocristaux, cages, rotaxanes, cadres organométalliques ouverts. Chim. Soc. Rév. 41, 3493–3510 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Wang, G.-W. Synthèse organique mécanochimique. Chim. Soc. Rév. 42, 7668–7700 (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Tan, D. & García, F. Mécanochimie du groupe principal : De la curiosité aux protocoles établis. Chim. Soc. Rév. 48, 2274–2292 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Gomollon-Bel, FT Des innovations chimiques qui vont changer notre monde. Chim. Int. 41, 12-17 (2019).

CAS Google Scholar

Balaz, P. Mécanochimie dans les nanosciences et l'ingénierie des minéraux (Springer-Verlag, 2008).

Google Scholar

El-Eskandarany, MS Nanotechnologie d'alliage mécanique. Science des matériaux et métallurgie des poudres (Elsevier, 2015).

Google Scholar

Sheldon, RA Chemicals from Synthesis Gas (Springer, 1983).

Réserver Google Scholar

Gogate, MR Synthèse du méthanol revisitée : mécanismes de réaction dans l'hydrogénation du CO/CO2 sur Cu/ZnO et analyse DFT. Essence. Sci. Technol. 37, 603–610 (2019).

Article CAS Google Scholar

Jiang, X., Nie, X., Guo, X., Song, C. et Chen, JG Progrès récents dans l'hydrogénation du dioxyde de carbone en méthanol via une catalyse hétérogène. Chim. Rév.120, 7984–8034 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Steynberg, P. & Dry, ME Technologie Fischer-Tropsch. Dans Studies in Surface Science and Catalysis Vol. 152 (Elsevier, Amsterdam, 2004).

Google Scholar

Ojeda, M. et al. Voies d'activation du CO et mécanisme de synthèse de Fischer-Tropsch. J.Catal. 272, 287-297 (2010).

Article CAS Google Scholar

Studt, F. et al. Le mécanisme d'hydrogénation du CO et du CO2 en méthanol sur des catalyseurs à base de Cu. Chim. Catal. Chim. 7, 1105-1111 (2015).

CAS Google Scholar

Dalena, F. et al. (eds) Systèmes bioénergétiques pour l'avenir. Perspectives pour les biocarburants et le biohydrogène (Woodhead Publishing, 2017).

Google Scholar

Delogu, F., Mulas, G. & Garroni, S. Hydrogénation du monoxyde de carbone dans des conditions d'activation mécanique. Appl. Catal. A Gen. 366, 201-205 (2009).

Article CAS Google Scholar

Delogu, F., Garroni, S. & Mulas, G. Réactivité de l'hydrogène vis-à-vis du monoxyde de carbone sous traitement mécanique. Int. J. Hydrog. Énergie 35, 4375–4381 (2010).

Article CAS Google Scholar

Duvenhage, DJ & Coville, NJ Fe : catalyseurs bimétalliques Co/TiO2 pour la réaction de Fischer-Tropsch. I. Caractérisation et études de réacteurs. Appl. Catal. A Gen. 153, 43–67 (1997).

Article CAS Google Scholar

Duvenhage, DJ & Coville, NJ Fe : catalyseurs bimétalliques Co/TiO2 pour la réaction de Fischer-Tropsch. Partie 2. L'effet de la température de calcination et de réduction. Appl. Catal. A Gen. 233, 63–75 (2002).

Article CAS Google Scholar

Duvenhage, DJ & Coville, NJ Fe : catalyseurs bimétalliques Co/TiO2 pour la réaction de Fischer-Tropsch. Partie 3. L'effet du rapport Fe:Co, du mélange et de la charge sur la sélectivité du produit FT. Appl. Catal. A Gen. 289, 231-239 (2005).

Article CAS Google Scholar

Delogu, F., Schiffini, L. & Cocco, G. Les lois invariantes des processus d'amorphisation par mécanosynthèse. Phil. Mag. A 81, 1917-1937 (2001).

Article ADS CAS Google Scholar

Delogu, F. et al. Une approche quantitative des processus mécanochimiques. J. Mater. Sci. 39, 5121–5124 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Delogu, F. & Takacs, L. Informations sur le mécanisme de la réaction mécanochimique à partir d'études détaillées de la cinétique de la réaction. J. Mater. Sci. 53, 13331–13342 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Miller, PJ, Coffey, CS & DeVost, VF Chauffage dans les solides cristallins dû à une déformation rapide. J. Appl. Phys. 59, 913-916 (1986).

Article ADS CAS Google Scholar

Falcon, E., Laroche, C., Fauve, S. & Coste, C. Comportement d'une balle inélastique rebondissant à plusieurs reprises sur le sol. EUR. Phys. J.B 3, 45–57 (1998).

Article ADS CAS Google Scholar

Stronge, WJ Impact Mechanics (Cambridge University Press, 2000).

Livre MATH Google Scholar

McLaskey, GC & Glaser, SD Impact hertzien : étude expérimentale de l'impulsion de force et des ondes de stress résultantes. J.Acoust. Soc. Suis. 128, 1087-1096 (2010).

Article ADS PubMed Google Scholar

Huang, H., Dallimore, MP, Pan, J. & McCormick, PG Une étude de l'effet de la poudre sur les caractéristiques d'impact entre une balle et une plaque à l'aide d'expériences de chute libre. Mater. Sci. Ing. A 241, 38–47 (1998).

Article Google Scholar

Tricker, AW, Samaras, G., Hebisch, KL & Realff, MJ Génération de points chauds, réactivité et décroissance dans les réacteurs mécanochimiques. Chim. Ing. J.382, 122954 (2020).

Article CAS Google Scholar

De Smit, E. & Weckhuysen, BM La renaissance de la synthèse Fischer-Tropsch à base de fer : sur le comportement de désactivation des catalyseurs à multiples facettes. Chim. Soc. Rev.37, 2758–2781 (2008).

Article PubMed Google Scholar

Inderwildi, OR, Jenkins, SJ & King, DA Fischer-Tropsch mécanisme revisité : Voies alternatives pour la production d'hydrocarbures supérieurs à partir de gaz de synthèse. J.Phys. Chim. C 112, 1305-1307 (2008).

Article CAS Google Scholar

Fajin, JLC, Cordeiro, MNDS & Gomes, JRB Synthèse Fischer-Tropsch sur les catalyseurs multicomposants : Que pouvons-nous apprendre des simulations informatiques ?. Catalyseurs 5, 3–17 (2015).

Article Google Scholar

Puga, AV Sur la nature des phases actives et des sites dans les catalyseurs d'hydrogénation du CO et du CO2. Catal. Sci. Technol. 8, 5681–5707 (2018).

Article CAS Google Scholar

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MC a exercé son activité dans le cadre du doctorat international en sciences et technologies de l'innovation à l'Università degli Studi di Cagliari, Italie.

Département de génie mécanique, chimique et des matériaux, Unité de recherche CSGI Cagliari, Université de Cagliari, via Marengo 2, 09123, Cagliari, Italie

Maria Carta et Francesco Delogu

Département des sciences chimiques et géologiques, Université de Cagliari, Cittadella Universitaria, SS 554 carrefour pour Sestu, 09042, Monserrato, CA, Italie

Anna Laura Sanna & Andrea Porcheddu

Département de chimie et de pharmacie, Université de Sassari, Via Vienne 2, 07100, Sassari, Italie

Sébastien Garroni

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FD a conçu la recherche; MC, ALS, SG, AP et FD ont mené les expériences ; FD, SG et AP ont rédigé l'article ; Tous les auteurs ont discuté et examiné le manuscrit.

Correspondance à Francesco Delogu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Carta, M., Sanna, AL, Porcheddu, A. et al. Effets mécanochimiques sous-jacents à l'hydrogénation catalytique activée mécaniquement du monoxyde de carbone. Sci Rep 13, 2470 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28972-8

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Reçu : 26 octobre 2022

Accepté : 27 janvier 2023

Publié: 11 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-28972-8

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