Les scientifiques sont enthousiasmés par la perspective de décaper les catalyseurs en atomes simples. Attaché par millions à une surface d'appui, ils pourraient offrir le nec plus ultra en termes de vitesse et de spécificité.

Aujourd'hui, les chercheurs ont franchi une étape importante vers la compréhension des catalyseurs à un seul atome en modifiant délibérément la façon dont ils sont attachés aux surfaces qui les supportent – ​​dans ce cas, les surfaces des nanoparticules. Ils ont attaché un atome de platine à chaque nanoparticule et ont observé comment le changement de la chimie de la surface de la particule et de la nature de l'attachement affectait la volonté de l'atome de catalyser les réactions.

Les expériences clés de l'étude ont eu lieu au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, et les résultats ont été rapportés dans Matériaux naturels hier.

"Nous pensons que c'est la première fois que la réactivité d'un catalyseur métallique à un seul atome est attribuée à une manière spécifique de l'attacher à une structure de support particulière. Cette étude est également unique en ce qu'elle contrôle systématiquement cette fixation, " a déclaré Simon R. Bare, un scientifique distingué du personnel de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC et co-auteur de l'étude.

"C'est une percée scientifique importante, et comprendre à un niveau fondamental comment la structure est liée à la réactivité nous permettra finalement de concevoir des catalyseurs beaucoup plus efficaces. Il y a énormément de personnes qui travaillent sur ce problème."

Traitement sévère, bons résultats

Bare et d'autres scientifiques du SLAC faisaient partie d'une étude précédente au SSRL qui a révélé que les atomes d'iridium individuels pouvaient catalyser une réaction particulière jusqu'à 25 fois plus efficacement que les nanoparticules d'iridium utilisées aujourd'hui, qui contiennent de 50 à 100 atomes.

Cette dernière étude a été dirigée par le professeur agrégé Phillip Christopher de l'Université de Californie, Santa Barbara. Il a examiné des atomes individuels de platine qui étaient attachés à des nanoparticules séparées de dioxyde de titane dans son laboratoire. Bien que cette approche ne soit probablement pas pratique dans une usine chimique ou dans le convertisseur catalytique de votre voiture, cela a donné à l'équipe de recherche un contrôle extrêmement fin de l'emplacement des atomes et de l'environnement immédiatement autour d'eux, dit nu.

Les chercheurs ont administré aux nanoparticules des traitements chimiques – durs ou doux – et ont utilisé les rayons X de SSRL pour observer comment ces traitements ont changé où et comment les atomes de platine se sont attachés à la surface.

Pendant ce temps, scientifiques de l'Université de Californie, Irvine a directement observé les attaches et les positions des atomes de platine avec des microscopes électroniques, et des chercheurs de l'UC-Santa Barbara ont mesuré l'activité des atomes de platine dans les réactions de catalyse.

Percer la surface

Un atome de platine a six sites de liaison où il peut se connecter à d'autres atomes. Dans les nanoparticules non traitées, les atomes étaient enfouis dans la surface et fermement liés à six atomes d'oxygène chacun; ils n'avaient pas de sites de liaison libres qui pourraient saisir d'autres atomes et déclencher une réaction catalytique.

Dans les particules légèrement traitées, les atomes de platine ont émergé de la surface et étaient liés à seulement quatre atomes d'oxygène chacun, leur laissant deux sites de liaison libres et le potentiel d'une plus grande activité catalytique.

Et dans les particules durement traitées, les atomes ne s'accrochaient à la surface que par deux liaisons, laissant quatre sites de liaison libres. Lorsque les chercheurs ont testé la capacité des nanoparticules différemment traitées à catalyser une réaction où le monoxyde de carbone se combine avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone - la même réaction qui se produit dans le convertisseur catalytique d'une voiture - celui-ci est arrivé en tête, Bare a dit, avec une activité cinq fois supérieure aux autres.

« Bien que cette étude montre l'importance de comprendre la nature dynamique des catalyseurs, " a dit Christophe, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."