Comment l'état d'oxydation des surfaces de palladium affecte-t-il la réactivité et la sélectivité de la synthèse directe du peroxyde d'hydrogène à partir de gaz hydrogène et oxygène ? Une étude de fonctionnelle de densité

La synthèse directe de H2O2 à partir de H2 et O2 est un processus respectueux de l'environnement et économiquement avantageux, et en tant que tel, constitue la voie idéale en catalyse. Cependant, à l'heure actuelle, il n'existe pas de voie à faible coût de ce type de catalyse, bien qu'elle constituerait une alternative attrayante à la méthode industrielle courante à l'anthraquinone pour la production de H2O2. Les catalyseurs à base de métal sont largement utilisés dans un tel processus de synthèse directe mais nécessitent souvent d'être oxydés, alliés ou fournis avec des additifs pour les rendre sélectifs. Pour comprendre l'état d'oxydation des métaux en catalyse hétérogène, nous avons étudié l'oxydation sélective de l'hydrogène par l'oxygène moléculaire sur les surfaces Pd(111) et PdO(101), conduisant soit à des produits H2O2 soit H2O. Nos résultats démontrent, pour la première fois, que la surface de PdO(101) oxydée présente clairement de meilleures performances et sélectivité par rapport à celle de Pd(111) réduite. La barrière d'activation sur la surface de Pd oxydée est d'environ 0,2 eV inférieure à celle de la surface de Pd réduite. Sur la surface oxydée, la voie de synthèse de H2O2 est préférée, tandis que sur la surface réduite, la voie H2O est prédominante. La décomposition de H2O2 est également grandement inhibée sur la surface oxydée. Nous avons analysé les différentes voies en détail à travers des cycles thermochimiques, ce qui établit que la surface oxydée montre une capacité d'adsorption plus faible envers les réactifs O2 et H2, l'intermédiaire clé OOH, ainsi que le produit H2O2 par rapport à la surface de Pd(111), ce qui, selon nous, affecte la sélectivité. Le travail présenté ici montre clairement que l'état d'oxydation des surfaces métalliques est l'un des facteurs les plus importants qui régulent la catalyse d'une réaction chimique et peut affecter dramatiquement la sélectivité et les schémas de réaction.