Performances des catalyseurs à base d'oxyde de manganèse hautement actifs dans l'oxydation du monoxyde de carbone à température ambiante

Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz hautement toxique, produit par l'oxydation partielle de composés carbonés, et rejeté dans l'atmosphère. Le CO se lie à l'hémoglobine des cellules sanguines et est converti en carboxyhémoglobine, réduisant ainsi la capacité de transport d'oxygène du corps humain. Les convertisseurs catalytiques sont utilisés dans les automobiles pour réduire les émissions de gaz toxiques des moteurs à combustion interne. Les catalyseurs utilisés dans les convertisseurs catalytiques comprennent des catalyseurs de réduction et des catalyseurs d'oxydation. La réaction fondamentale des HC dans les gaz d'échappement est l'oxydation, le produit final étant le CO₂H₂O ; tandis que la réaction des NOx est la réduction, le produit final étant le N₂.

Dans toutes les conditions, le catalyseur est présent dans un monolithe en céramique recouvert d'un support métallique. La réaction catalytique est une réaction entre la surface du catalyseur et les gaz restants dans les gaz d'échappement du véhicule. Les performances du convertisseur catalytique dépendent largement du type de catalyseur utilisé. Sous l'action du catalyseur, la vitesse de la réaction chimique est accélérée et le catalyseur agit comme un agent réduisant l'énergie d'activation de la réaction. L'oxydation catalytique à basse température du monoxyde de carbone est essentielle au maintien de la vie dans des environnements fermés tels que les sous-marins et les engins spatiaux.

Les métaux du groupe du platine (MGP) sont souvent considérés comme des éléments des pots catalytiques automobiles. Cependant, en raison de la hausse du prix des métaux précieux, l'utilisation de catalyseurs à base d'oxydes de métaux de transition (OTM) pour la conversion catalytique du monoxyde de carbone a suscité un vif intérêt. Parmi ces catalyseurs, l'oxyde de manganèse (MnOx) est un nouveau type de catalyseur à oxyde mixte dont la chimie de surface peut être considérée comme similaire à celle des catalyseurs à oxyde efficaces.

Le développement de catalyseurs d'oxydation du monoxyde de carbone économiques, respectueux de l'environnement et efficaces, offrant une stabilité mécanique et chimique à long terme, a suscité une attention soutenue. L'oxyde de manganèse est un catalyseur d'oxydation du monoxyde de carbone écologique et peu coûteux.

Dans les oxydes de manganèse, diverses structures de surface sont liées à l'énergie de surface du composé et affectent ses propriétés chimiques. La surface MnOx est fortement affectée par la coordination des cations métalliques et des anions oxygène, ce qui modifie l'activité catalytique de ces composés. Les défauts structuraux du catalyseur MnOx sont étroitement liés à ses performances catalytiques. La position des ions de surface varie en fonction de la structure. Lorsque le Mn2O3 est utilisé comme vecteur, son état d'oxydation est fortement affecté. Il joue un rôle d'agent réducteur ou d'agent oxydant. La capacité du manganèse à contenir de l'oxygène dans le réseau et sa capacité à générer des oxydes de différents états d'oxydation déterminent ses performances catalytiques. Le MnOx présente une capacité de stockage d'oxygène plus élevée, ainsi que des taux d'adsorption et d'oxydoréduction plus rapides, et peut être utilisé pour réduire la quantité totale de CO dans les gaz d'échappement. Le Mn2O3 réagit avec l'O2 pour former du MnO2, et la réaction est influencée par la concentration en oxygène et la température. Des concentrations en oxygène plus élevées et des températures plus basses sont favorables à la formation de MnO2. En revanche, des concentrations en oxygène plus faibles et des températures plus élevées réduisent la vitesse de formation de MnO2, et du Mn2O3 est généré progressivement au fur et à mesure de la réaction. Le succès des catalyseurs à base d'oxyde de manganèse a donné lieu à de nombreux travaux fondamentaux consacrés à l'exploitation du rôle de chaque élément et des propriétés du site actif.

De plus, différents catalyseurs peuvent exister sous différentes formes cristallines, et le nombre de composés à valence mixte non stœchiométriques est connu, ce qui complique encore leur caractérisation. L'effet de la taille des particules sur l'activité catalytique suscite un vif intérêt en raison de son importance tant en recherche fondamentale que dans les applications pratiques. Les recherches futures porteront sur le développement et l'utilisation de catalyseurs à base d'oxyde de manganèse pour améliorer la sélectivité des catalyseurs.

Auteur : Hazel

Date : 11/06/2025