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Affichage sans précédent d’une seule nanoparticule catalysée en action

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

Une équipe de recherche dirigée par DESY utilise des rayons X à haute intensité pour observer une seule nanoparticule catalytique en action. 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 découvertes dans la revue progrès scientifique. Cette étude représente une étape importante vers une meilleure compréhension des matériaux catalytiques synthétiques réels.


Les catalyseurs sont des substances qui améliorent les réactions chimiques sans être consommées par elles-mêmes. 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 grande importance économique. Un exemple très connu est le pot catalytique installé dans les systèmes d’échappement des automobiles. Il contient des métaux précieux tels que le platine, le rhodium et le palladium, qui permettent la conversion du monoxyde de carbone (CO) hautement toxique en dioxyde de carbone (CO).2) et réduire la quantité d’oxydes d’azote nocifs (NO .).X).

« Malgré leur utilisation généralisée et leur grande importance, nous ne connaissons toujours pas beaucoup de détails importants sur le fonctionnement des différents catalyseurs », explique Stierle, président de DESY NanoLab. “C’est pourquoi nous avons longtemps voulu étudier les vrais déclencheurs pendant le fonctionnement.” Ce n’est pas facile, car pour rendre la surface active la plus grande possible, les catalyseurs sont généralement utilisés sous forme de Nanoparticules, et des changements qui affectent leur activité se produisent à leur surface.

Affichage sans précédent d'une seule nanoparticule catalysée en action

Vue rapprochée (vue d’artiste) des nanoparticules en question : Le monoxyde de carbone est oxydé en dioxyde de carbone à la surface des nanoparticules. Crédit : Science Communication Lab pour DESY

Contrainte de surface liée à la composition chimique

Dans le cadre du projet de la Fédération européenne des fonderies de nanosciences et de microanalyses (NFFA), l’équipe DESY NanoLab a développé une technique permettant de classer et donc d’identifier des nanoparticules individuelles dans un échantillon. “Pour l’étude, nous avons cultivé des nanoparticules d’alliage de platine-rhodium sur un substrat en laboratoire et marqué une seule particule spécifique”, explique le co-auteur Thomas Keeler de DESY NanoLab et responsable du projet à DESY. “La particule marquée a un diamètre d’environ 100 nanomètres, ce qui 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 des nanoparticules ; Il a également mesuré la pression mécanique à l’intérieur de sa surface. “La contrainte 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 Philip Plesso du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), dont le groupe a calculé la contrainte en fonction de la formation de surface. En comparant la déformation en fonction des faces observées et calculées, des conclusions peuvent être tirées concernant la composition chimique à la surface des particules. Les différentes surfaces des nanoparticules sont appelées facettes, tout comme les côtés d’une pierre précieuse taillée.

Lorsque la nanoparticule croît, sa surface est principalement constituée d’atomes de platine, car cette configuration est fortement préférée. Cependant, les scientifiques ont étudié la forme de la particule et sa déformation de surface dans diverses conditions, y compris les conditions de fonctionnement du convertisseur autocatalytique. 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 réagit plus fortement avec l’oxygène que le platine”, explique Pleso. Ceci est également prédit par la théorie.

“En conséquence, la contrainte de surface et la forme des particules changent”, explique le co-auteur Ivan Vartanianets, de DESY, dont l’équipe a transformé les données de diffraction des rayons X en images spatiales 3D. “L’enrichissement à base de rhodium est effectué sur les faces, où des coins et des bords supplémentaires sont formés.” Structure chimique de surface, la forme et la taille des particules ont un impact significatif sur sa fonction et son efficacité. Cependant, les scientifiques commencent tout juste à comprendre exactement comment ils sont liés et comment contrôler la structure et la composition des nanoparticules. Les rayons X permettent aux chercheurs de détecter des changements de moins de 0,1 pour mille dans la souche, ce qui dans cette expérience correspond à une résolution d’environ 0,0003 nanomètres (0,3 picomètres).

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

Une étape critique vers l’analyse des matériaux de catalyseur industriel

“Nous pouvons maintenant, pour la première fois, observer en détail les changements structurels de ces nanoparticules catalysées pendant le fonctionnement”, explique Stierle, scientifique en chef à DESY et professeur de nanosciences à l’Université de Hambourg. “C’est un énorme pas en avant et nous aide à comprendre toute une classe d’interactions qui utilisent des nanoparticules alliées.” Les scientifiques de KIT et DESY souhaitent maintenant explorer cela systématiquement dans le nouveau Centre de recherche collaboratif 1441, financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) intitulé « Suivi des sites actifs dans la catalyse de contrôle des émissions hétérogènes (TrackAct) ».

Stierle note que “notre enquête est une étape importante vers l’analyse des matériaux catalytiques synthétiques.” Jusqu’à présent, les scientifiques devaient développer des systèmes modèles en laboratoire pour effectuer de telles investigations. “Dans cette étude, nous avons atteint la limite de ce qui peut être fait. En utilisant un microscope à rayons X PETRA IV prévu de DESY, nous pourrons examiner des particules individuelles dix fois plus petites dans des stimuli réels, et sous Termes d’interaction. “DESY est l’un des principaux centres mondiaux d’accélérateurs de particules 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 aux grands mystères de l’univers. Accélérateurs et détecteurs de particules DESY développe et la construction sur ses sites de Hambourg et Zeuthen Ce sont des instruments 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 Helmholtz, la plus grande société scientifique d’Allemagne , et reçoit des fonds 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 d’une nanoparticule d’alliage unique au cours d’une réaction catalytique ; Jeune-Jeune Kim, Thomas F. Keeler, Thiago J. Gonçalves, Manuel Abbein, Henning Runge, Luca Gilisio, Jérôme Karnes, Vedran Funk, Philip N. Pleso, Evan A.; Vartaniantes, Andreas Stirl ; progrès scientifique, 2021 ; 10.1126/sciadv.abh0757

Introduction de
synchrotron allemand

la citation: Vue sans précédent d’une seule nanoparticule catalysée au travail (2021, 1er octobre) Extrait le 1er octobre 2021 de https://phys.org/news/2021-10-unprecedented-view-catalyst-nanoparticle.html

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