Vue inédite d’une seule nanoparticule de catalyseur à l’œuvre

L’analyse aux rayons X a fourni une image 3D complète d’une nanoparticule de catalyseur individuelle et a révélé des changements dans sa tension superficielle et sa composition chimique de surface au cours de différents modes de fonctionnement. Crédit : Science Communication Lab pour DESY

Une équipe de recherche dirigée par DESY a utilisé des rayons X à haute intensité pour observer une seule nanoparticule de catalyseur à l’œuvre. L’expérience a révélé pour la première fois comment la composition chimique de la surface d’une nanoparticule individuelle change dans les conditions de réaction, la rendant plus active. L’équipe dirigée par Andreas Stierle de DESY présente ses résultats dans la revue Avancées scientifiques. Cette étude marque une étape importante vers une meilleure compréhension des matériaux catalytiques industriels réels.

Les catalyseurs sont des matériaux qui favorisent les réactions chimiques sans être eux-mêmes consommés. Aujourd’hui, les catalyseurs sont utilisés dans de nombreux procédés industriels, de la production d’engrais à la fabrication de plastiques. Pour cette raison, les catalyseurs sont d’une importance économique énorme. Un exemple très connu est le convertisseur catalytique installé dans les systèmes d’échappement des voitures. Ceux-ci contiennent des métaux précieux tels que le platine, le rhodium et le palladium, qui permettent de transformer le monoxyde de carbone (CO) hautement toxique en dioxyde de carbone (CO2) et réduire la quantité d’oxydes d’azote nocifs (NOX).

« Malgré leur utilisation généralisée et leur grande importance, nous ignorons encore de nombreux détails importants sur le fonctionnement des différents catalyseurs », explique Stierle, directeur du DESY NanoLab. “C’est pourquoi nous avons longtemps voulu étudier de vrais catalyseurs en fonctionnement.” Ce n’est pas facile, car afin de rendre la surface active aussi grande que possible, les catalyseurs sont généralement utilisés sous la forme de minuscules nanoparticules, et les changements qui affectent leur activité se produisent à leur surface.

Vue rapprochée (vue d’artiste) de la nanoparticule étudiée : le monoxyde de carbone s’oxyde en dioxyde de carbone à la surface de la nanoparticule. Crédit : Science Communication Lab pour DESY

La déformation de surface est liée à la composition chimique

Dans le cadre du projet européen Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), l’équipe de DESY NanoLab a développé une technique pour marquer des nanoparticules individuelles et ainsi les identifier dans un échantillon. “Pour l’étude, nous avons cultivé des nanoparticules d’un alliage platine-rhodium sur un substrat en laboratoire et marqué une particule spécifique”, explique le co-auteur Thomas Keller de DESY NanoLab et responsable du projet à DESY. “Le diamètre de la particule marquée est d’environ 100 nanomètres, et il est similaire aux particules utilisées dans le convertisseur catalytique d’une voiture.” Un nanomètre est un millionième de millimètre.

À l’aide des rayons X de l’installation européenne de rayonnement synchrotron ESRF à Grenoble, en France, l’équipe n’a pas seulement été en mesure de créer une image détaillée de la nanoparticule ; il a également mesuré la contrainte mécanique à l’intérieur de sa surface. “La déformation de surface est liée à la composition de la surface, en particulier le rapport des atomes de platine aux atomes de rhodium”, explique le co-auteur Philipp Pleßow du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), dont le groupe a calculé la déformation en fonction de la composition de la surface. En comparant la déformation dépendant des facettes observée et calculée, des conclusions peuvent être tirées concernant la composition chimique à la surface des particules. Les différentes surfaces d’une nanoparticule sont appelées facettes, tout comme les facettes d’une pierre précieuse taillée.

Lorsque la nanoparticule croît, sa surface est principalement constituée d’atomes de platine, car cette configuration est énergétiquement favorisée. Cependant, les scientifiques ont étudié la forme de la particule et sa déformation de surface dans différentes conditions, y compris les conditions de fonctionnement d’un convertisseur catalytique automobile. Pour ce faire, ils ont chauffé la particule à environ 430 degrés Celsius et ont permis aux molécules de monoxyde de carbone et d’oxygène de la traverser. “Dans ces conditions de réaction, le rhodium à l’intérieur de la particule devient mobile et migre vers la surface car il interagit plus fortement avec l’oxygène que le platine”, explique Pleßow. Ceci est également prédit par la théorie.

“En conséquence, la déformation de surface et la forme de la particule changent”, rapporte le co-auteur Ivan Vartaniants, de DESY, dont l’équipe a converti les données de diffraction des rayons X en images spatiales tridimensionnelles. “Un enrichissement en rhodium dépendant des facettes a lieu, moyennant quoi des coins et des bords supplémentaires sont formés.” La composition chimique de la surface, ainsi que la forme et la taille des particules ont un effet significatif sur leur fonction et leur efficacité. Cependant, les scientifiques commencent tout juste à comprendre exactement comment ceux-ci sont connectés et comment contrôler la structure et la composition des nanoparticules. Les rayons X permettent aux chercheurs de détecter des changements d’aussi peu que 0,1 sur mille dans la souche, ce qui dans cette expérience correspond à une précision d’environ 0,0003 nanomètres (0,3 picomètres).







Animation : En fonctionnement, les molécules de monoxyde de carbone (diatomique) s’oxydent en molécules de dioxyde de carbone (triatomique) sur la particule examinée. La lumière des rayons X produit un diagramme de diffraction caractéristique à partir duquel les changements de la tension superficielle et donc de la composition chimique de la surface pendant le fonctionnement peuvent être lus. Crédit : Science Communication Lab pour DESY

Étape cruciale vers l’analyse des matériaux catalytiques industriels

« Nous pouvons maintenant, pour la première fois, observer les détails des changements structurels de ces nanoparticules de catalyseur pendant leur fonctionnement », déclare Stierle, scientifique principal à DESY et professeur de nanosciences à l’Université de Hambourg. “C’est un grand pas en avant et cela nous aide à comprendre toute une classe de réactions qui utilisent des nanoparticules d’alliage.” Les scientifiques de KIT et DESY souhaitent désormais explorer cela systématiquement dans le nouveau Centre de recherche collaboratif 1441, financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et intitulé “Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)”.

“Notre enquête est une étape importante vers l’analyse des matériaux catalytiques industriels”, souligne Stierle. Jusqu’à présent, les scientifiques devaient développer des systèmes modèles en laboratoire afin de mener de telles investigations. “Dans cette étude, nous sommes allés à la limite de ce qui peut être fait. Avec le microscope à rayons X PETRA IV prévu par DESY, nous pourrons observer des particules individuelles dix fois plus petites dans de vrais catalyseurs et dans des conditions de réaction.” DESY est l’un des principaux centres d’accélérateurs de particules au monde et étudie la structure et la fonction de la matière, de l’interaction de minuscules particules élémentaires et le comportement de nouveaux nanomatériaux et biomolécules vitales aux grands mystères de l’univers. Les accélérateurs et détecteurs de particules que DESY développe et construit sur ses sites de Hambourg et de Zeuthen sont des outils de recherche uniques. Ils génèrent le rayonnement X le plus intense au monde, accélèrent les particules pour enregistrer les énergies et ouvrent de nouvelles fenêtres sur l’univers. DESY est membre de l’Association Helmholtz, la plus grande association scientifique d’Allemagne, et reçoit son financement du ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) (90 %) et des États fédéraux allemands de Hambourg et de Brandebourg (10 %).


Les bords et les coins augmentent l’efficacité des convertisseurs catalytiques


Plus d’information:
Imagerie aux rayons X de nanoparticules d’alliage unique au cours d’une réaction catalytique ; Young Yong Kim, Thomas F. Keller, Tiago J. Gonçalves, Manuel Abuin, Henning Runge, Luca Gelisio, Jerome Carnis, Vedran Vonk, Philipp N. Plessow, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle ; Avancées scientifiques, 2021 ; 10.1126/sciadv.abh0757

Fourni par Deutsches Elektronen-Synchrotron

Citation: Vue sans précédent d’une seule nanoparticule de catalyseur à l’œuvre (2021, 1er octobre) récupérée le 1er octobre 2021 sur https://phys.org/news/2021-10-unprecedented-view-catalyst-nanoparticle.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.

 
For Latest Updates Follow us on Google News
 

PREV Un chien robot de la taille d’un chihuahua développé
NEXT Innovation sur Terre et dans l’espace
----