Une équipe de recherche composée du NIMS, Les groupes de l'Université de Kyoto et de l'Université d'Oita ont pour la première fois mesuré avec succès les états électroniques de nanoparticules d'alliage constituées de rhodium (Rh) et de cuivre (Cu) qui présentent des activités catalytiques similaires à différents rapports Rh/Cu. Les nanoparticules servent de catalyseur pour la purification des gaz d'échappement.

Une équipe de recherche a pour la première fois mesuré avec succès les états électroniques de nanoparticules (NP) d'alliage Rh-Cu qui présentent des activités catalytiques similaires à différents rapports Rh-à-Cu (en nombre d'atomes). Les nanoparticules servent de catalyseur pour la purification des gaz d'échappement. Les résultats ont indiqué qu'il est difficile de corréler les états électroniques des NPs avec leurs activités catalytiques. Une analyse plus détaillée de la relation entre ces deux variables pourrait conduire à la découverte de nouvelles méthodes pour rendre les NP d'alliages aussi efficaces catalytiquement que les NP Rh purs. Ces méthodes peuvent ne pas être basées sur l'appariement des états électroniques des NP d'alliage avec ceux des NP Rh purs.

L'élément rare Rh est un catalyseur prometteur pour la purification des gaz d'échappement des automobiles et d'autres sources. Cependant, parce que Rh est une ressource très précieuse, son utilisation doit être minimisée. Le groupe de Kitagawa à l'Université de Kyoto a précédemment réussi à synthétiser des NP en alliage Rh-Cu, ce qui est impossible à réaliser en utilisant des matériaux en vrac. Le groupe de Nagaoka à l'Université d'Oita a confirmé que ces alliages NP sont capables de servir de catalyseur pour la purification des gaz d'échappement en oxydant les composants des gaz d'échappement tels que le CO et les NOx. Leur capacité catalytique était comparable à celle des NP Rh purs, et n'a pas diminué avec la diminution de la teneur en Rh. Il avait été généralement supposé que changer la composition des alliages NP modifierait également leurs états électroniques, et que leurs activités catalytiques étaient étroitement liées à leurs états électroniques. Sur la base de ces hypothèses, de nombreux scientifiques des matériaux s'étaient intéressés à l'étude des états électroniques des nanoparticules d'alliage Rh-Cu. Des problèmes techniques ont rendu une telle étude difficile à mettre en œuvre dans la réalité. Récemment, Le groupe de Sakata au NIMS a mesuré pour la première fois les états électroniques des nanoparticules d'alliage Rh-Cu à différents rapports Rh-à-Cu.

Il est très difficile d'évaluer avec précision les états électroniques des nanoparticules à l'aide de la spectroscopie photoélectronique utilisant des rayons X (mous) de faible énergie. En effet, les surfaces NP sont recouvertes d'un matériau protecteur pour éviter qu'elles ne s'agglutinent. Pour surmonter ce problème, nous avons pris des mesures de spectroscopie photoélectronique des NP sur la ligne de lumière du NIMS située dans la plus grande installation de rayonnement synchrotron au monde (SPring-8). L'installation nous a permis de collecter des données d'état électroniques à partir de l'intégralité des NP en utilisant des rayons X (durs) à haute énergie capables de pénétrer le matériau de la couche externe protectrice. Nous avons examiné les états électroniques (états d'oxydation) de deux types de NP en alliage Rh-Cu :les NP avec une teneur en Rh plus élevée (environ 80 %) et comparable en Rh :Cu (environ 50 %). Des états d'oxydation similaires ont été trouvés dans les NP avec la teneur en Rh la plus élevée et dans les NP Rh purs. D'autre part, Les NP avec le rapport Rh :Cu comparable avaient une proportion plus faible de Rh(3-δ)+ dans un état d'oxydation et un Rh0 plus élevé que celui des NP avec la teneur en Rh plus élevée et avaient une proportion plus élevée de Cu2+ dans un état d'oxydation.

Ces résultats indiquent que des évaluations plus détaillées des états électroniques sont vitales pour la création de nouveaux matériaux catalytiques et autres matériaux fonctionnels. À l'avenir, nous prévoyons de réaliser une étude théorique sur la relation entre les activités catalytiques des NPs et leurs états électroniques. En outre, accélérer la création de nouveaux matériaux fonctionnels, nous favoriserons le développement de l'informatique des matériaux en fournissant nos données sur les structures électroniques et les arrangements atomiques des alliages NP et divers autres matériaux.

Cette recherche a été soutenue par le programme Nanotechnology Platform Japan du MEXT, et le projet ACCEL de JST intitulé "Création de fonctions innovantes de matériaux intelligents sur la base de la stratégie des éléments" (Professeur Hiroshi Kitagawa, chef d'équipe de recherche).

Cette étude a été publiée dans Rapports scientifiques le 25 janvier, 2017.