La modélisation théorique : un nouvel outil pour la catalyse hétérogène

La catalyse hétérogène met en jeu des objets et des phénomènes d’une grande complexité. Le réactif doit suivre plusieurs étapes et franchir plusieurs obstacles avant d’être transformé dans un système catalytique réel : diffusion dans un milieu poreux, interaction avec le catalyseur, réaction chimique, désorption et diffusion hors de la structure du catalyseur. On peut aujourd’hui proposer plusieurs approches théoriques afin de modéliser ces divers processus. Les problèmes de diffusion peuvent être abordés par une approche de physico-chimie classique (dynamique moléculaire ou étude statique par simulation de Monte-Carlo). Dans des études récentes de telles techniques ont été appliquées aux phénomènes de transition de phase dans les systèmes poreux confinés. La structure atomique détaillée du catalyseur et de l’interaction avec les molécules de réactif nécessitent la mise en œuvre de méthodes de chimie quantique, permettant une résolution numérique de l’équation de Schrödinger. Les nouveaux algorithmes et codes, basés sur la théorie fonctionnelle de la densité, permettent aux scientifiques de modéliser exactement des systèmes à centaines d’atomes, ouvrant ainsi la voie à la modélisation réaliste de systèmes catalytiques. Plusieurs exemples sont présentés, liés aux matériaux ou aux processus catalytiques : la structure d’un dépôt de palladium sur le nickel, les processus réactionnels pour le cas de la dissociation NO sur surfaces métalliques, la réactivité des atomes d’hydrogène de sous-surface pour la réaction d’hydrogénation, et la structure des polyoxométalates dopés par du fer.