Synthèse contrôlée par la forme des nanocristaux de Pd et leurs applications catalytiques

Le palladium est un catalyseur remarquable pour une riche variété de réactions dans les processus industriels et les dispositifs commerciaux. La plupart des réactions catalysées par le Pd présentent une sensibilité à la structure, ce qui signifie que l'activité ou la sélectivité dépendent de l'arrangement des atomes à la surface. Auparavant, de telles réactions ne pouvaient être étudiées qu'en ultra-haut vide en utilisant des cristaux uniques de Pd coupés selon un plan cristallographique spécifique. Cependant, ces catalyseurs modèles sont très différents des véritables systèmes catalytiques en raison de l'absence d'atomes aux coins et aux bords et des surfaces spécifiques extrêmement petites pour les systèmes modèles. En effet, améliorer la performance d'un catalyseur à base de Pd, en partie pour réduire la quantité de ce métal précieux et rare nécessaire à une réaction donnée, nécessite d'utiliser du Pd avec la plus grande surface spécifique possible. Les avancées récentes dans la synthèse des nanocristaux offrent une excellente opportunité d'examiner et de quantifier la sensibilité structurelle des catalyseurs à base de Pd et d'autres métaux. Pour une réaction sensible à la structure, les propriétés catalytiques des nanocristaux de Pd dépendent fortement à la fois de la taille et de la forme. La forme joue un rôle plus significatif dans le contrôle de l'activité et de la sélectivité, car la forme contrôle non seulement les facettes mais aussi les proportions d'atomes de surface aux coins, aux bords et aux plans, ce qui affecte les résultats des réactions possibles. Nous prévoyons que les catalyseurs à base de nanocristaux de Pd avec des formes optimisées répondront aux demandes croissantes des applications industrielles avec des charges et des coûts réduits. Dans ce compte rendu, nous discutons des avancées récentes dans la synthèse de nanocristaux de Pd avec des formes contrôlées et de leurs performances en tant que catalyseurs pour un grand nombre de réactions. Tout d'abord, nous examinons diverses stratégies synthétiques basées sur l'attaque oxydante, le recouvrement de surface et le contrôle cinétique qui ont été utilisées pour diriger les formes des nanocristaux. Lorsque la croissance cristalline est sous contrôle thermodynamique, l'agent de recouvrement joue un rôle clé dans la détermination de la forme d'un produit en modifiant l'ordre des énergies de surface pour différentes facettes par adsorption sélective ; le produit résultant a la plus basse énergie de surface totale possible. En revanche, le produit d'une synthèse contrôlée kinetiquement s'écarte souvent de la structure favorable thermodynamiquement, avec des exemples notables comprenant des nanocristaux enfermés par des facettes à indices élevés ou des surfaces concaves. Nous discutons ensuite des paramètres clés qui contrôlent la nucléation et la croissance des nanocristaux de Pd pour déchiffrer les mécanismes de croissance potentiels et établir un lien entre les conditions expérimentales et les voies vers différentes formes. Enfin, nous présentons un certain nombre d'exemples pour mettre en avant l'utilisation de ces nanocristaux de Pd comme catalyseurs ou électrocatalyseurs pour diverses applications avec des propriétés sensibles à la structure. Nous croyons qu'une compréhension approfondie des propriétés catalytiques dépendant de la forme, associée à la capacité de manœuvrer expérimentalement la forme des nanocristaux métalliques, conduira finalement à un design rationnel de catalyseurs avancés avec une performance considérablement améliorée.