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L'incorporation appropriée d'atomes métalliques individuels dans une surface permet d'adapter leur comportement chimique. Cela fait du neuf, meilleurs catalyseurs possibles.
Ils rendent nos voitures plus respectueuses de l'environnement et ils sont indispensables pour l'industrie chimique :les catalyseurs permettent certaines réactions chimiques, comme la conversion du CO en CO
De plus en plus petit, jusqu'au seul atome
Pour les gaz d'échappement des voitures, des catalyseurs solides tels que le platine sont utilisés. Le gaz entre en contact avec la surface métallique, où il réagit avec d'autres composants gazeux. "Seule la couche la plus externe d'atomes de métal peut jouer un rôle dans ce processus. Le gaz ne peut jamais atteindre les atomes à l'intérieur du métal, ils sont donc fondamentalement gaspillés, " déclare le professeur Gareth Parkinson de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. Il est donc logique de construire le catalyseur non pas comme un seul gros bloc de métal, mais sous forme de granulés fins. Cela rend le nombre d'atomes actifs aussi élevé que possible. Étant donné que de nombreux matériaux catalyseurs importants (tels que le platine, or ou palladium) sont très chers, le coût est un problème majeur.
Pendant des années, des efforts ont été faits pour transformer les catalyseurs en particules de plus en plus fines. Dans le meilleur des cas, le catalyseur pourrait être constitué d'atomes de catalyseur individuels, et tout serait actif de la bonne manière. C'est plus facile à dire qu'à faire, toutefois. "Lorsque des atomes métalliques sont déposés sur une surface d'oxyde métallique, ils ont généralement une très forte tendance à s'agglutiner et à former des nanoparticules, " a expliqué Gareth Parkinson.
Au lieu d'attacher les atomes de métal actifs à une surface, il est également possible de les incorporer dans une molécule avec des atomes voisins savamment sélectionnés. Les molécules et les réactifs sont ensuite dissous dans un liquide, et les réactions chimiques s'y produisent.
Les deux variantes ont des avantages et des inconvénients. Les catalyseurs métalliques solides ont un débit plus élevé, et peut fonctionner en fonctionnement continu. Avec des catalyseurs liquides, d'autre part, il est plus facile d'adapter les molécules selon les besoins, mais le produit et le catalyseur doivent être à nouveau séparés par la suite.
Le meilleur des deux mondes
L'équipe de Parkinson de la TU Wien s'efforce de combiner les avantages des deux variantes :« Depuis des années, nous travaillons sur le traitement de surfaces d'oxydes métalliques de manière contrôlée et sur les images au microscope, " dit Gareth Parkinson. " Grâce à cette expérience, nous sommes maintenant l'un des rares laboratoires au monde à pouvoir incorporer des atomes de métal dans une surface solide d'une manière bien définie."
De la même manière que les molécules de catalyseur liquide sont conçues, il devient possible de choisir les atomes voisins de la surface qui seraient les plus favorables d'un point de vue chimique — et des astuces spéciales de physique des surfaces permettent de les incorporer dans une matrice solide sur une surface spéciale d'oxyde de fer. Cela peut être utilisé, par exemple, pour convertir le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone.
Contrôle optimal
« La catalyse à un seul atome est une nouvelle, domaine de recherche extrêmement prometteur, " dit Gareth Parkinson. " Il y a déjà eu des mesures passionnantes avec de tels catalyseurs, mais jusqu'à présent, on ne savait pas vraiment pourquoi ils fonctionnaient si bien. Maintenant, pour la première fois, nous avons un contrôle total sur les propriétés atomiques de la surface et pouvons clairement le prouver au moyen d'images au microscope électronique."
