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Les transformations catalytiques impliquant de l'hydrogène sont des procédés couramment utilisés dans l'industrie chimique. L’hydrogénation par exemple, qui a pour but d’ajouter de l'hydrogène à un composé chimique, conduit à de grandes variétés de molécules aux propriétés physicochimiques modulables à volonté. Bien que des catalyseurs traditionnels à base de palladium, platine, ruthénium ou nickel soient couramment utilisés pour ces hydrogénations, les catalyseurs à base d’or retiennent de plus en plus l’attention des chimistes. Ce qui peut paraître surprenant car on voit mal comment cet élément réputé inerte pourrait s’associer à d’autres molécules et produire une chimie originale.

Efficacité catalytique : une question de taille !

C’est à l’échelle nanométrique que l’on doit se placer si l’on veut comprendre l’origine des étonnantes propriétés catalytiques de l’or pour l’hydrogénation. Les nanoparticules d’or se révèlent très sélectives et actives d’un point de vue catalytique, leur surface se montrant particulièrement efficace pour tout un tas de réactions, essentiellement d’oxydation. Les propriétés de ces nanoparticules d'or sont liées aux effets quantiques propres à l'échelle nanométrique. Elles permettent ainsi d’accéder à de nombreuses structures moléculaires complexes à partir de molécules simples. Un comportement connu depuis plusieurs dizaines d’années mais que l’on s’explique encore très mal.

Plus récemment, les scientifiques ont constaté que les très petites particules d'or (d’une taille inférieure à 10 nanomètres) étaient capables de dissocier l'hydrogène moléculaire, une première pour ce type de catalyse. Pour améliorer leur efficacité catalytique, comprendre comment l'hydrogène peut être activé par l'or devient maintenant incontournable.

Comprendre les mécanismes catalytiques de l’hydrogénation

Mais pas si simple ! Identifier les mécanismes mis en jeu lors des réactions d’hydrogénation nécessite en effet de mettre au point des techniques de caractérisation in situ sophistiquées. Et le plus souvent, les résultats nécessitent des méthodes de calcul avancées pour être analysés. En général, les réactions d'hydrogénation sur les surfaces métalliques suivent le mécanisme Horiuti-Polanyi, qui implique la scission de la molécule d'hydrogène puis le transfert des atomes H adsorbés de la surface métallique d’or vers la molécule réactive. Cette étape d'activation a pu être analysée à l'aide d'expériences de spectroscopie infra-rouge et de spectroscopie d’absorption des rayons X sur des nanoparticules d'or supportées. L’étude a également permis d’identifier la nature et la structure des sites actifs responsables de l'adsorption et de la dissociation de l'hydrogène moléculaire.

Cependant, certaines questions fondamentales restent sans réponses. Les transferts électroniques entre la surface de l'or et les espèces H adsorbées, la présence d'autres voies de dissociation de l'hydrogène et le degré de mobilité des espèces H sur les nanoparticules d'or restent encore à explorer.

Renforcer les interactions Or-Hydrogène pour améliorer l’efficacité catalytique

Dans leur article paru dans Nature Reviews Chemistry, les scientifiques de l’Unité de catalyse et chimie du solide1 2 détaillent les principaux facteurs qui influencent l'activité catalytique des nanoparticules d'or et des atomes d'or utilisés dans les processus d'hydrogénation. Ils se concentrent sur les différentes stratégies qui pourraient être mises en place pour renforcer les interactions Au-H et améliorer ainsi les propriétés d'hydrogénation. Ils rassemblent les avancées les plus significatives des cinq dernières années et les défis à relever pour la conception de formulations d'or plus efficaces. Les aspects théoriques de l'hydrogénation sur surface d'or sont également abordés.

Et les scientifiques voient plus loin ! Au-delà des processus d’hydrogénation, les auteurs passent en revue les domaines où les matériaux à base d’or pourraient faire valoir leurs performances. Pour le traitement des maladies par exemple, l’or pourrait très vite faire parler de lui. En cancérologie, des essais cliniques évaluent l’efficacité de ces nanoparticules d’or véhiculant un agent bioactif cytotoxique. Des recherches très actives sont également menées pour optimiser l’utilisation des nanoparticules d’or en radiothérapie anticancéreuse. En effet, l’or est sans toxicité résiduelle, en particulier vis-à-vis du milieu biologique, c’est-à-dire qu’il ne crée aucun sous-produit toxique durant la réaction. Enfin, ces composés à base d’or ouvrent également de nouvelles perspectives en catalyse asymétrique, une technique essentielle dans l’industrie pharmaceutique. Affaire à suivre…

Référence
N. Dimitratos, G. Vilé, S. Albonetti, F. Cavani, J. Fiorio, N. López, L.M. Rossi & R. Wojcieszak, “Strategies to improve hydrogen activation on gold catalysts”, Nature Reviews Chemistry, 23 février 2024.
https://doi.org/10.1038/s41570-024-00578-2