(Phys.org)—En modifiant la vitesse à laquelle les réactions chimiques ont lieu, les catalyseurs à nanoparticules remplissent une myriade de rôles dans l'industrie, l'arène biomédicale et la vie quotidienne. Ils peuvent être utilisés pour la production de polymères et de biocarburants, pour améliorer les dispositifs de contrôle de la pollution et des émissions, améliorer les réactions essentielles à la technologie des piles à combustible et à la synthèse de nouveaux médicaments. Il est donc vital de trouver de nouveaux catalyseurs nanoparticulaires plus efficaces pour remplir ces fonctions utiles.

Maintenant Nongjian (NJ) Tao, chercheur au Biodesign Institute de l'Arizona State University, a trouvé un moyen astucieux de mesurer les réactions catalytiques de nanoparticules simples et de particules multiples imprimées en matrices, qui permettra de caractériser et d'améliorer les catalyseurs nanoparticulaires existants, et faire avancer la recherche de nouveaux.

La plupart des matériaux catalytiques synthétisés en laboratoire contiennent des particules de différentes tailles et formes, chacun ayant des activités électrocatalytiques différentes, mais les méthodes conventionnelles mesurent les propriétés moyennes de nombreuses nanoparticules, qui brouillent les propriétés des nanoparticules individuelles.

"La capacité de mesurer des réactions catalytiques de nanoparticules uniques permet de déterminer la relation entre l'efficacité d'une réaction catalytique et la taille, forme, et la composition de la nanoparticule." Tao a expliqué. "Une telle capacité d'imagerie permet également d'imager des matrices de réactions catalytiques de nanoparticules, qui peut être utilisé pour le criblage rapide de différentes nanoparticules, " il ajouta.

Dans l'étude actuelle, des nanoparticules de platine agissant comme catalyseurs électrochimiques sont étudiées au moyen de la nouvelle technique, connue sous le nom d'imagerie électrochimique plasmonique. La méthode combine la résolution spatiale de la détection optique avec la sensibilité et la sélectivité élevées de la reconnaissance électrochimique.

Les résultats de l'étude apparaissent dans l'édition en ligne avancée de la revue de cette semaine Nature Nanotechnologie .

La microscopie électrochimique à balayage (SECM) a été utilisée pour imager des réactions électrochimiques en balayant mécaniquement une surface d'échantillon à l'aide d'une microélectrode. Dans ce processus cependant, la vitesse d'imagerie est limitée et la présence de la microélectrode elle-même peut empiéter sur l'échantillon et altérer les résultats.

La nouvelle méthode repose plutôt sur l'imagerie des réactions électrochimiques optiquement basée sur le phénomène de résonance plasmonique de surface. Les plasmons de surface sont des oscillations d'électrons libres dans une électrode métallique, et peut être créé et détecté avec la lumière. Toute réaction électrochimique s'accompagne d'échanges d'électrons entre réactifs et électrodes, et les méthodes électrochimiques classiques, dont SECM, détecter les électrons.

"Notre approche consiste à mesurer les réactions électrochimiques sans détecter directement les électrons." dit Tao. "L'astuce consiste à détecter la conversion du réactif en produits de réaction associés à l'échange d'électrons." Une telle conversion au voisinage de l'électrode affecte le plasmon, provoquant des changements dans la réflectivité de la lumière, que la technique convertit en une image optique.

En utilisant l'imagerie par courant électrochimique plasmonique, Le groupe de Tao a examiné l'activité électrocatalytique de nanoparticules de platine imprimées dans un microarray sur une électrode à couche mince d'or, démontrant pour la première fois la faisabilité du criblage à haut débit des activités catalytiques des nanoparticules.

En outre, la nouvelle étude montre que la même méthode peut être utilisée pour étudier des nanoparticules individuelles. Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué à l'électrode et parcouru une plage de valeurs, les nanoparticules apparaissent clairement sous forme de taches sur le réseau. L'effet peut être vu dans les vidéos d'accompagnement, où les taches de nanoparticules « se développent » au fil du temps à mesure que le potentiel change, un peu comme une image polaroïd apparaît progressivement.

Des puces à ADN présentant différentes densités de surface de nanoparticules ont également été produites pour l'étude. Les résultats ont montré que le courant électrocatalytique à un potentiel donné augmente proportionnellement avec la densité des nanoparticules. Plus loin, lorsque des nanoparticules individuelles ont été caractérisées par microscopie SPR, microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à transmission (MET), un bon accord a été montré entre les résultats, valider davantage la nouvelle technique.

Tao note qu'en principe, L'imagerie électrochimique plasmonique, une technique rapide et non invasive offrant les avantages combinés de la détection optique et électrochimique, peut être appliquée à d'autres phénomènes pour lesquels les méthodes de détection électrochimique conventionnelles sont actuellement utilisées.