Comment le platine est-il utilisé pour la catalyse ?

Le platine est l'un des matériaux catalytiques les plus efficaces et les plus largement utilisés dans la technologie moderne. Des piles à combustible aux usines chimiques en passant par les systèmes de contrôle des émissions automobiles, le platine permet aux réactions de se produire plus rapidement, plus efficacement et dans des conditions plus douces qu'elles ne pourraient l'être autrement. Pour comprendre pourquoi le platine est si précieux, il convient d'examiner comment il fonctionne au niveau atomique, comment il est utilisé dans les convertisseurs catalytiques et dans quels autres domaines il joue un rôle industriel essentiel.

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Comment fonctionne un catalyseur au platine ?

Si vous comprenez ce qu'est l'électrolyse, il est utile de penser qu'une pile à combustible est une électrolyse inversée.

Dans l'électrolyse de l'eau, on applique une tension pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. En théorie, une tension minimale est nécessaire pour que la réaction se produise. Dans la pratique, cependant, il peut être nécessaire d'appliquer une tension supérieure à la tension minimale. Cette tension supplémentaire est appelée "surpotentiel" et mesure les pertes d'énergie qui se produisent parce que la réaction n'est pas idéale à la surface de l'électrode.

Leplatine est spécial car, pour les réactions à l'hydrogène, son surpotentiel est très proche de zéro. Cela signifie que les réactions à l'hydrogène se produisent très efficacement sur une surface en platine, avec très peu de perte d'énergie. C'est pourquoi le platine est si précieux dans les piles à combustible et les électrolyseurs d'hydrogène.

Une explication un peu plus détaillée de l'utilité du platine est liée à la façon dont le platine interagit avec les molécules à sa surface.

L'hydrogène gazeux (H₂), par exemple, ne réagit pas facilement dans l'espace libre à température ambiante. Mais lorsque des molécules de H₂ entrent en contact avec une surface de platine, il se passe quelque chose d'important :

• La molécule d'hydrogène s'adsorbe (colle) à la surface du platine.
• La liaison H-H s'affaiblit et se rompt.
• Deux nouvelles liaisons Pt-H se forment.
• Chaque atome d'hydrogène peut alors perdre un électron plus facilement, formant des protons (H⁺).

La clé est l'équilibre. Le platine lie l'hydrogène suffisamment fortement pour rompre la liaison H-H, mais pas assez pour que les atomes d'hydrogène restent bloqués en permanence. Les métaux qui lient l'hydrogène trop faiblement ne peuvent pas l'activer efficacement. Les métaux qui le lient trop fortement le retiennent et ralentissent la réaction. Le platine se situe près du "point idéal" dans cet équilibre, ce qui le rend exceptionnellement efficace.

Plus généralement, le platine appartient au groupe de métaux connu sous le nom d'éléments du groupe du platine (ÉGP), qui comprend le palladium, le rhodium, le ruthénium, l'iridium et l'osmium. Ces métaux partagent plusieurs caractéristiques importantes :

• des points de fusion élevés
• Forte résistance à la corrosion
• Plusieurs états d'oxydation
• Grande capacité d'adsorption des gaz

Comment le catalyseur platine est-il couramment utilisé dans les convertisseurs catalytiques ?

L'une des applications les plus importantes et les plus connues des catalyseurs à base de platine se trouve dans les convertisseurs catalytiques des automobiles.

Le convertisseur catalytique a été inventé au milieu des années 1970 à la suite des réglementations sur la qualité de l'air qui exigeaient une réduction radicale des émissions des automobiles. La loi américaine sur la qualité de l'air (Clean Air Act) a entraîné la généralisation de l'utilisation des convertisseurs catalytiques à partir de 1975. Une telle législation est apparue en Europe et dans d'autres parties du monde dans les années 1990.

Le convertisseur catalytique est monté sur le système d'échappement du véhicule. Sa complexité n'est pas immédiatement évidente à l'extérieur.

Le boîtier en acier inoxydable contient un monolithe en céramique en forme de nid d'abeille. La conception en nid d'abeille permet d'augmenter considérablement la surface avec une faible résistance à l'écoulement des gaz d'échappement.

Le substrat céramique est ensuite recouvert d'une couche de "washcoat". La couche de lavage augmente la surface et contribue également à la stabilisation des métaux actifs. Les métaux du groupe du platine, qui comprennent le platine (Pt), le palladium (Pd) et le rhodium (Rh), sont ensuite dispersés sous forme de nanoparticules très fines sur la couche. La charge totale de PGE est normalement d'environ 0,1 % en poids, mais comme ils sont dispersés sous forme de particules d'une taille inférieure à 10 nanomètres lorsqu'ils sont neufs, leur surface est massive.

Dans les moteurs à essence, les convertisseurs catalytiques "à trois voies" effectuent trois réactions simultanées :

• Oxydation du monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO₂)
• Oxydation des hydrocarbures imbrûlés (UHC) en CO₂ et en eau
• Réduction des oxydes d'azote (NOₓ) en azote (N₂)

Le platine et le palladium catalysent principalement les réactions d'oxydation. Le rhodium est particulièrement efficace pour la réduction des NOₓ. En termes simples, le platine à l'intérieur d'un convertisseur catalytique fournit une surface réactive où les gaz d'échappement nocifs sont convertis en substances moins toxiques avant qu'ils ne quittent le tuyau d'échappement.

Autres utilisations des catalyseurs au platine

Bien que les convertisseurs catalytiques soient l'application la plus connue, le rôle catalytique du platine s'étend bien au-delà de l'industrie automobile.

Piles à combustible et énergie hydrogène

Dans les piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEM ), le platine est utilisé aux deux électrodes :

• À l'anode, il catalyse l'oxydation de l'hydrogène (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• À la cathode, il catalyse la réduction de l'oxygène (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

Ces réactions génèrent de l'électricité avec de l'eau comme seul sous-produit. Le faible surpotentiel du platine pour les réactions avec l'hydrogène est essentiel pour obtenir un rendement élevé des piles à combustible.

Fabrication de produits chimiques

Les catalyseurs à base de platine sont largement utilisés dans les domaines suivants

• l'hydrogénation de composés organiques
• le reformage du pétrole pour améliorer l'indice d'octane de l'essence
• Production d'acide nitrique (souvent à l'aide de gaze de platine-rhodium pour l'oxydation de l'ammoniac).

Dans nombre de ces procédés, le platine est utilisé à des températures élevées et dans des environnements corrosifs où des métaux moins nobles se dégraderaient rapidement.

Production de silicone et de produits chimiques spécialisés

Les catalyseurs à base de platine sont essentiels dans les réactions d'hydrosilylation utilisées pour produire des silicones. Ces matériaux sont largement utilisés dans l'électronique, les appareils médicaux, les produits d'étanchéité et les revêtements.

Traitement des gaz industriels et de l'environnement

Le platine est également utilisé dans les processus d'oxydation industriels, les systèmes de purification de l'air et les unités de traitement des gaz d'échappement. Sa durabilité et sa recyclabilité en font un matériau adapté aux opérations industrielles à long terme et à haut rendement.

Conclusion

Le pouvoir catalytique duplatine provient d'une rare combinaison de propriétés : il adsorbe efficacement les gaz, active efficacement les liaisons chimiques et reste stable dans des conditions thermiques et chimiques extrêmes. Dans les convertisseurs catalytiques, il transforme les gaz d'échappement nocifs en émissions plus sûres. Dans les piles à combustible, il permet de convertir efficacement l'hydrogène en énergie. Dans les usines chimiques, il alimente les réactions industrielles à grande échelle avec précision et durabilité.

Références :

[1] Pianowska, Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). L'extraction par solvant comme méthode de récupération et de séparation des métaux du groupe du platine. Materials. 16. 4681. 10.3390/ma16134681.