Les convertisseurs catalytiques pour le nettoyage des émissions d'échappement sont plus efficaces lorsqu'ils utilisent des nanoparticules avec de nombreux bords. C'est l'un des résultats d'une étude menée à la source de rayons X PETRA III de DESY. Une équipe de scientifiques du DESY NanoLab a regardé en direct le monoxyde de carbone nocif se transformer en dioxyde de carbone commun à la surface de nanoparticules de métaux nobles comme celles utilisées dans les convertisseurs catalytiques des voitures. Les scientifiques présentent leurs découvertes dans la revue Lettres d'examen physique . Leurs résultats suggèrent que le fait d'avoir un grand nombre d'arêtes augmente l'efficacité des réactions catalytiques, les différentes facettes des nanoparticules étant souvent recouvertes d'îlots en croissance d'un nanooxyde, rendant finalement ces facettes inactives. Aux bords, les îlots d'oxyde ne peuvent pas se connecter, laissant des sites actifs pour la réaction catalytique.

Les convertisseurs catalytiques utilisent généralement des nanoparticules car celles-ci ont une surface beaucoup plus grande pour une quantité donnée de matériau, sur laquelle la réaction catalytique peut avoir lieu. Pour l'étude présentée ici, les scientifiques du NanoLab de DESY ont fait pousser des nanoparticules de platine-rhodium sur un substrat de telle sorte que pratiquement toutes les particules étaient alignées dans la même direction et avaient la même forme d'octaèdres tronqués (les octaèdres ressemblent à des pyramides doubles). Les scientifiques ont ensuite étudié les propriétés catalytiques de cet échantillon dans les conditions de travail typiques d'un pot catalytique automobile, avec différentes compositions gazeuses dans une chambre de réaction qui a été exposée aux rayons X intenses de PETRA III sur la ligne de lumière P09.

L'efficacité des matériaux catalytiques peut être mesurée à l'aide d'un spectromètre de masse qui révèle les proportions de certains types de molécules dans les gaz d'échappement, ici les concentrations relatives de monoxyde de carbone, l'oxygène et le dioxyde de carbone. "On fait une sorte de test d'émission sur les nanoparticules, " explique Uta Hejral, le premier auteur de l'article, travaille maintenant à l'Université de Lund en Suède. En raison de l'alignement parallèle des nanoparticules, les scientifiques ont également pu déterminer les surfaces des nanoparticules sur lesquelles la réaction s'est particulièrement bien déroulée. "Ici, nous pouvons vraiment suivre la réaction à l'échelle atomique, " fait remarquer Hejral.

Normalement, les nanoparticules de métaux nobles dans le convertisseur catalytique d'une voiture sont attachées à de minuscules miettes de substrat, qui s'agglutinent en formant des structures complexes. "Ceux-ci sont difficiles à examiner à l'aide de rayons X, parce que les métaux nobles ne représentent que quelques pour cent en poids et en particulier parce que les nanoparticules sont alignées dans toutes sortes de directions différentes, " explique Andreas Stierle, qui est un scientifique principal à DESY et professeur de nanosciences à l'Université de Hambourg. "Sous éclairage aux rayons X, chaque particule produit un motif de diffraction distinct et ceux-ci se chevauchent pour créer une image floue. En les faisant aligner parallèlement les uns aux autres, d'autre part, les diagrammes de diffraction de toutes les nanoparticules se superposent et s'amplifient mutuellement. Cela permet aux différentes facettes des nanoparticules, en d'autres termes leurs surfaces individuelles, à identifier et à observer spécifiquement.

L'enquête a montré que la réactivité des nanoparticules augmente fortement à une certaine concentration en oxygène. "Cela se produit lorsque juste assez d'oxygène est disponible pour oxyder chaque molécule de monoxyde de carbone et la transformer en dioxyde de carbone, " dit Stierle. Au-delà de cette concentration, la réactivité retombe progressivement car une épaisse couche d'oxyde se développe à la surface des particules, entravant la réaction. L'analyse aux rayons X révèle la structure atomique de la surface des nanoparticules à la meilleure résolution encore dans les conditions dans lesquelles la réaction se produit. Cela montre qu'une fois qu'une certaine concentration d'oxygène est dépassée, les différentes faces cristallines des nanoparticules s'enrobent d'un sandwich oxygène-rhodium-oxygène, jusqu'à ce que finalement la surface du métal soit complètement recouverte par cette couche de nano-oxyde.

"L'oxyde de surface forme finalement une couche fermée sur les nanoparticules, " rapporte Hejral. ​​" Ceci est défavorable à la réaction souhaitée dans un premier temps, car il rend difficile pour les molécules de monoxyde de carbone de se fixer à la surface. Cependant, l'oxygène est incapable de former un film fermé le long des bords entre les faces des nanoparticules, ce qui signifie que la réactivité le long des bords est plus élevée. » Cette découverte suggère une voie directe pour rendre les convertisseurs catalytiques plus efficaces :" dit Stierle. Cette découverte peut probablement également être appliquée à de nombreuses autres réactions catalytiques. Des études supplémentaires devront montrer de combien l'efficacité peut être augmentée en conséquence.

DESY est l'un des principaux centres mondiaux d'accélérateurs de particules. Les chercheurs utilisent les installations à grande échelle de DESY pour explorer le microcosme dans toute sa variété, allant de l'interaction de minuscules particules élémentaires au comportement de nanomatériaux innovants et aux processus vitaux qui se déroulent entre les biomolécules aux grands mystères de l'univers. Les accélérateurs et détecteurs que DESY développe et construit sur ses sites de Hambourg et de Zeuthen sont des outils de recherche uniques. DESY est membre de l'Association Helmholtz, et reçoit son financement du ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF) (90 pour cent) et des États fédéraux allemands de Hambourg et de Brandebourg (10 pour cent).