Suivi de l’adsorption de gaz sur les “couronnes” de platine

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Transport de gaz à travers un solide cristallin contenant des clusters métalliques.
L’hydrogène et le monoxyde de carbone se déplacent à des vitesses différentes en raison de leur taille moléculaire par rapport à celle des tunnels à l’échelle nanométrique dans la structure. Alors que l’hydrogène se lie de manière réversible, le monoxyde de carbone se lie de manière irréversible et déforme le motif de couronne original des atomes de platine et d’or en un motif de calice.

Crédit : Université Métropolitaine de Tokyo

Tokyo, Japon – Des chercheurs de l’Université Métropolitaine de Tokyo ont clarifié la manière dont l’hydrogène et le monoxyde de carbone sont adsorbés dans des solides contenant une structure en motif de couronne faite de platine et d’or. Grâce à des mesures rapides d’absorption par rayons X et à des calculs théoriques, ils ont étudié un solide nommé [PtAu₈(PPh₃)₈]-H[PMo₁₂O₄₀], désigné comme PtAu8-PMo12, et ont constaté que l’adsorption des gaz était fortement influencée par la dimension des vides à l’échelle nanométrique dans la structure. Cela met en lumière l’importance de concevoir des vides dans les matériaux pour les capteurs de nouvelle génération et la séparation des gaz.

Les clusters métalliques protégés par des ligands suscitent un grand intérêt chez les chimistes dans le développement de matériaux de pointe. Ces groupes d’atomes métalliques, entourés de groupes chimiques (ligands), adoptent des géométries fondamentalement différentes de celles des métaux en vrac, acquérant des propriétés distinctives qui les rendent particulièrement utiles pour les catalyseurs. Une application prometteuse est l’utilisation de clusters contenant du platine pour accélérer la production d’hydrogène, lors de la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER). Cela a conduit à une attention particulière portée à l’étude du transport des gaz dans les solides contenant des clusters métalliques.

Sous la direction du professeur Seiji Yamazoe, les chercheurs se sont penchés sur une structure particulière composée d’un atome de platine entouré de huit atomes d’or, un motif de couronne en raison de la configuration des atomes. Ce motif était protégé par des ligands de phosphine, et l’ensemble de la structure faisait partie d’une structure cristalline. L’objectif était d’élucider comment un solide, riche en atomes de platine pouvant lier des molécules de gaz, interagissait avec des gaz introduits.

L’équipe a analysé les comportements de l’hydrogène et du monoxyde de carbone avec le solide PtAu8-PMo12, en utilisant des mesures rapides d’absorption par rayons X à intervalles de 0,1 seconde pour observer comment la structure microscopique changeait lors de l’introduction des gaz. Les deux gaz ont été trouvés capables de se lier à l’atome de platine, modifiant radicalement la structure atomique environnante ainsi que l’état électronique de l’atome de platine. On a découvert que l’hydrogène s’adsorbait beaucoup plus rapidement que le monoxyde de carbone, et de manière réversible. À travers des observations et des calculs théoriques, il a été constaté que cela était principalement dû à la taille plus petite des molécules d’hydrogène. PtAu8-PMo12 est constitué de vides reliés par des canaux ultrafins ; grâce à la taille de la molécule d’hydrogène, elle a pu diffuser plus rapidement à travers ces canaux. Bien que l’hydrogène soit plus rapide, le monoxyde de carbone était lié de manière irréversible aux atomes de platine. Cette interaction était suffisamment forte et les vides suffisamment étroits pour entraîner une distorsion de la structure environnante, créant un motif de calice, avec le platine profondément enfoncé dans la couronne originale.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre d’une initiative plus large visant à comprendre et à permettre la reprogrammation structurelle des composés chimiques. Grâce à ce travail, l’équipe a souligné l’importance de déchiffrer la diffusion dans les vides comme une clé pour comprendre les changements structurels et le transport de gaz dans les solides.

Cette étude a été soutenue par un projet NEDO (JPNP14004), les subventions JSPS KAKENHI numéros 22K14543, 24K01259, 24K17562, 24H02210, 24H02211, et 24H02217, ainsi qu’une subvention de recherche avancée du gouvernement métropolitain de Tokyo (R3-1), le fonds pour la diplomatie de la ville de Tokyo, et le fonds de recherche de l’Université Métropolitaine de Tokyo pour jeunes chercheurs. Les expériences de rayonnement synchrotron ont été réalisées à SPring-8 sous l’approbation de l’Institut de recherche sur le rayonnement synchrotron du Japon (JASRI) (202407, 2023A1326, 2022B1259, et 2021B1380).