Une petite quantité de compression ou d'étirement peut produire une grande augmentation des performances catalytiques, selon une nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory.

La découverte, publié le 18 mai dans Communication Nature , se concentre sur un catalyseur industriel appelé oxyde de cérium, ou cérie, un matériau spongieux couramment utilisé dans les pots catalytiques, fours autonettoyants et diverses applications d'énergie verte, comme les piles à combustible et les séparateurs d'eau solaires.

"Ceria stocke et libère de l'oxygène selon les besoins, comme une éponge, " a déclaré Will Chueh, co-auteur de l'étude, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et chercheur universitaire au SLAC. "Nous avons découvert que l'étirement et la compression de l'oxyde de cérium de quelques pour cent augmente considérablement sa capacité de stockage d'oxygène. Cette découverte renverse la sagesse conventionnelle sur les matériaux d'oxyde et pourrait conduire à de meilleurs catalyseurs."

Convertisseurs catalytiques

Ceria est utilisé depuis longtemps dans les convertisseurs catalytiques pour aider à éliminer les polluants atmosphériques des systèmes d'échappement des véhicules.

"Dans ta voiture, l'oxyde de cérium capte l'oxygène de l'oxyde d'azote toxique, créer de l'azote gazeux inoffensif, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Chirranjeevi Balaji Gopal, un ancien chercheur postdoctoral à Stanford. "Ceria libère ensuite l'oxygène stocké et l'utilise pour convertir le monoxyde de carbone mortel en dioxyde de carbone inoffensif."

Des études ont montré que la compression et l'étirement de l'oxyde de cérium provoquent des changements à l'échelle nanométrique qui affectent sa capacité à stocker l'oxygène.

"La capacité de stockage d'oxygène de l'oxyde de cérium est essentielle à son efficacité en tant que catalyseur, " a déclaré Aleksandra Vojvodic, co-auteur de l'étude, un ancien scientifique du SLAC maintenant à l'Université de Pennsylvanie, qui a dirigé l'aspect informatique de ce travail. "L'attente théorique basée sur des études antérieures est que l'étirement de l'oxyde de cérium augmenterait sa capacité à stocker l'oxygène, tandis que la compression réduirait sa capacité de stockage."

Pour tester cette prédiction, l'équipe de recherche a fait pousser des films ultrafins d'oxyde de cérium, chacun de quelques nanomètres d'épaisseur, sur des substrats en différents matériaux. Ce procédé soumet l'oxyde de cérium à une contrainte égale à 10, 000 fois l'atmosphère terrestre. Cet énorme stress a provoqué la séparation et la compression des molécules d'oxyde de cérium sur une distance de moins d'un nanomètre.

Résultats surprenants

Typiquement, des matériaux comme l'oxyde de cérium soulagent le stress en formant des défauts dans le film. Mais l'analyse à l'échelle atomique a révélé une surprise.

"En utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution pour résoudre la position des atomes individuels, nous avons montré que les films restent étirés ou comprimés sans former de tels défauts, permettant à la contrainte de rester en pleine force, " a déclaré Robert Sinclair, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford.

Pour mesurer l'impact du stress dans des conditions d'exploitation réelles, les chercheurs ont analysé les échantillons de cérium à l'aide des faisceaux brillants de rayons X produits à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory.

Les résultats étaient encore plus surprenants.

"Nous avons découvert que les films tendus présentaient une multiplication par quatre de la capacité de stockage d'oxygène de l'oxyde de cérium, " a déclaré Gopal. " Peu importe si vous l'étirez ou le comprimez. Vous obtenez une augmentation remarquablement similaire."

La technique de haute contrainte utilisée par l'équipe de recherche est facilement réalisable grâce à la nano-ingénierie, Chueh ajouté.

"Cette découverte a des implications importantes sur la façon de nano-ingénierie des matériaux d'oxyde pour améliorer l'efficacité catalytique pour la conversion et le stockage d'énergie, " Il a dit. " C'est important pour développer des piles à combustible à oxyde solide et d'autres technologies d'énergie verte, y compris de nouvelles façons de fabriquer des carburants propres à partir de dioxyde de carbone ou d'eau.