Les voitures modernes reposent sur des convertisseurs catalytiques pour éliminer le monoxyde de carbone, hydrocarbures et autres produits chimiques nocifs provenant des émissions de gaz d'échappement.

Pour ce faire, ils s'appuient sur des métaux coûteux qui ont des propriétés chimiques spéciales dont l'efficacité diminue avec le temps. Le professeur assistant Matteo Cargnello et le doctorant Emmett Goodman ont récemment dirigé une équipe qui a proposé une nouvelle façon de réduire le coût et de prolonger la durée de vie de ces matériaux, résoudre un problème qui a contrarié les ingénieurs automobiles pendant des années. Dans le processus, Cargnello et ses collègues ont fait quelque chose de remarquable :ils ont fait une percée dans un domaine mature où le changement se fait lentement, si pas du tout.

Qu'en est-il des pots catalytiques à améliorer ?

Un nouveau convertisseur catalytique peut coûter 1 $, 000 ou plus, ce qui en fait l'une des pièces individuelles les plus chères de toutes les voitures. Ils sont coûteux car ils utilisent des métaux coûteux tels que le palladium pour favoriser les réactions chimiques qui nettoient les gaz d'échappement. Le palladium coûte environ 50 $ le gramme, soit plus que l'or, et chaque convertisseur catalytique en contient environ 5 grammes. Les métaux comme le palladium sont des catalyseurs, une classe spéciale de matériaux qui accélèrent les réactions chimiques mais ne se modifient pas chimiquement. En théorie, les catalyseurs peuvent être utilisés à plusieurs reprises, indéfiniment. En pratique, cependant, les performances des catalyseurs se dégradent avec le temps. Pour compenser, nous sommes obligés d'utiliser plus de ces métaux coûteux à l'avance, ajoutant au coût. Notre objectif est de mieux comprendre les causes de cette dégradation et comment y remédier.

Pourquoi les catalyseurs se détériorent-ils ?

Idéalement, les catalyseurs doivent être conçus pour avoir la plus grande surface possible afin de favoriser le plus grand nombre de réactions chimiques. Donc, les fabricants répandent généralement de nombreuses petites particules sur la surface d'un nouveau convertisseur catalytique. D'après des recherches antérieures, nous savons que, heures supplémentaires, les atomes de métal commencent à bouger, formant des particules de plus en plus grosses qui offrent moins de surface, et deviennent ainsi moins efficaces. Nous appelons ce processus d'agglomération "frittage". Pour contrer le frittage, les fabricants utilisent des quantités excessives de métal afin que le convertisseur réponde aux normes d'émissions pour la durée de vie de 10 ou 15 ans d'une voiture. Notre équipe a découvert que le frittage n'est pas la seule cause de désactivation. En réalité, ce nouveau mécanisme de désactivation s'avère être tout le contraire du frittage. Dans certaines circonstances, au lieu que les particules deviennent plus grosses, ils se décomposent en particules plus petites et finissent par devenir des atomes uniques qui sont essentiellement inactifs. Il s'agit d'une nouvelle compréhension que nous pensons que personne n'a présentée auparavant, et cela nous a incités à rechercher une toute nouvelle façon de maximiser la durée de vie et les performances des métaux dans les convertisseurs catalytiques.

Que pouvons-nous faire pour que les catalyseurs durent plus longtemps ?

Nos recherches suggèrent que si nous contrôlons soigneusement à la fois la taille et l'espacement des particules métalliques, les particules de palladium ne se fritteront pas en gros amas ni ne se décomposeront en atomes simples. Précédemment, beaucoup de gens dans la communauté de la catalyse pensaient que si vous voulez rendre les particules stables, il fallait les éloigner le plus possible pour éviter la migration des particules. Nous avons confondu cette notion en réunissant une équipe collaborative qui a étudié la dégradation d'une nouvelle manière. Aaron Johnston-Peck du National Institute of Standards and Technology a utilisé la microscopie avancée pour aider à visualiser la présence des atomes individuels. Simon Bare du SLAC National Accelerator Laboratory a utilisé des techniques aux rayons X pour prouver que les matériaux catalytiques commencent sous forme de particules et finissent sous forme d'atomes uniques. Pour mettre ces résultats expérimentaux dans un cadre théorique, nous avons travaillé avec Frank Abild-Pedersen du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis et SLAC, et Philipp Plessow du Karlsruhe Institute of Technology en Allemagne. Ils disposaient des ressources informatiques pour nous aider à simuler le mécanisme de désactivation à l'échelle atomique. À la fin, nous avons fourni une base scientifique qui pourrait permettre de maintenir la réduction de la pollution tout en utilisant moins de métal précieux et en baissant les coûts des pots catalytiques. Si les ingénieurs automobiles finissent par confirmer et mettre en œuvre ces découvertes, ce serait une énorme victoire pour les consommateurs à long terme.