Les atomes simples fonctionnent très bien comme catalyseurs, mais ils ne restent généralement pas célibataires longtemps. Les scientifiques d'Argonne font partie d'une équipe qui utilise des ondes de choc à haute température pour les maintenir à leur place.

Un sujet brûlant d'actualité dans la recherche sur la catalyse est le développement de catalyseurs à atome unique, c'est-à-dire dont les atomes ne sont pas liés les uns aux autres. L'augmentation de l'exposition des catalyseurs à atome unique maximise l'efficacité d'utilisation des atomes pour les performances catalytiques, en aidant des processus cruciaux tels que la fabrication de carburant et de produits pharmaceutiques.

La synthèse de catalyseurs à un seul atome stable s'avère difficile car bon nombre des réactions catalytiques les plus utiles, comme la conversion du méthane, ne peut se produire qu'à des températures élevées. Pour rester dans un état stable, les atomes simples se regroupent souvent lorsque les températures élevées introduisent une augmentation de l'instabilité du système, provoquant une baisse de leurs performances catalytiques.

Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), avec des partenaires de plusieurs universités, ont démontré que l'exposition d'un catalyseur et d'un substrat à des ondes de choc répétées à haute température brise le catalyseur en atomes uniques et permet au système de rester stable pendant des périodes de temps sans précédent.

Dans cette découverte capitale, les scientifiques ont utilisé du platine pour le catalyseur et du carbone pour le substrat. Le platine sert de catalyseur à de nombreuses réactions importantes, comme la conduite de piles à combustible et la conversion du gaz naturel en des formes plus utiles.

L'étude, qui est apparu récemment dans Nature Nanotechnologie , a profité de la collaboration interdisciplinaire entre plusieurs laboratoires nationaux et universités. Les modèles informatiques du système pendant la pulsation thermique proviennent de l'Université du Maryland. Les prédictions sur le comportement du système correspondaient étroitement aux résultats réels obtenus lors des tests de réaction à l'Université Johns Hopkins et de la spectroscopie d'absorption des rayons X à la source avancée de photons (APS) d'Argonne. une installation utilisateur du DOE Office of Science. Des tests de stabilité in situ utilisant la microscopie à résolution atomique ont été effectués à l'Université de l'Illinois à Chicago et au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une autre installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au Pacific Northwest National Laboratory.

La ligne de lumière APS exploitée par le groupe Spectroscopie de la division X-ray Science est spécialisée dans la spectroscopie d'absorption des rayons X, et il accueille une grande variété d'utilisateurs dans des domaines tels que le stockage d'énergie, catalyse et sciences de l'environnement. La technique qu'ils ont employée pour le système dans cette étude est capable de caractériser de manière unique la catalyse à un seul atome. Les scientifiques ont pu montrer qu'après 10 ondes de choc, il n'y avait pratiquement pas de liaisons platine-platine, et que le platine se liait au substrat carboné, ce qui est important pour expliquer les performances améliorées du système.

Les scientifiques ont dispersé des atomes de platine sur une surface de carbone, et à basse température, le platine s'est regroupé au lieu de se lier en tant qu'atomes individuels avec le carbone. Après une onde de choc à haute température - ou impulsion de chaleur - les îles de platine ont commencé à se séparer et, après 10 impulsions, le platine était uniformément dispersé et planté dans le charbon.

Ces expériences ont été réalisées en utilisant des ondes de choc à des températures record allant jusqu'à 2000 K, une température plus élevée que même le magma le plus chaud sous la surface de la Terre, l'établissement d'un environnement catalytique stable mûr avec un potentiel de réaction. Le système est resté stable pendant plus de 50 heures après la synthèse.

La méthode des ondes de choc contourne le problème commun des atomes uniques se liant à eux-mêmes, car lorsque vous chauffez des atomes à des températures élevées, l'éclaboussure d'énergie les fait se déplacer et briser leurs liens préexistants. Cette instabilité perturbe les liaisons platine-platine et fait étaler le platine sur le carbone, lui offrant des opportunités stables sur le plan énergétique de se lier aux molécules de carbone. A chaque onde de choc supplémentaire, les atomes de platine s'étalent de plus en plus.

"Les liens entre le platine et le carbone sont forts, donc si vous séparez le platine de lui-même et qu'il se lie au carbone, il y restera, " a déclaré Tianpin Wu du groupe Spectroscopie, un scientifique d'Argonne sur l'étude. "Le carbone est comme le sol et le platine est comme une fleur avec de fortes racines - le système est très stable."

L'utilisation des ondes de choc thermique comme méthode de synthèse de catalyseurs à un seul atome est un moyen rapide et largement applicable d'obtenir des environnements catalytiques qui sont traditionnellement difficiles. L'équipe prévoit d'utiliser cette méthode pour synthétiser d'autres catalyseurs importants tels que le ruthénium et le cobalt avec des substrats de nitrure de carbone et de dioxyde de titane afin d'obtenir une théorie plus générale du fonctionnement de la méthode.

"Nous ne voulons pas nous arrêter ici, ", a déclaré Wu. "Nous voulons étudier cette nouvelle méthode dans des réactions courantes, puis la généraliser à d'autres matériaux."

« Nous avons comparé les performances de notre catalyseur au platine à atome unique à haute température avec des nanoparticules de platine conventionnelles dans la conversion du méthane, et nous avons constaté une amélioration significative de la sélectivité et de la stabilité thermique sur de longues périodes de temps, " dit Wu.

L'équipe est allée plus loin pour tester la stabilité thermique du système en traitant les atomes uniques avec des ondes de choc jusqu'à 3000 K. Le résultat était toujours une mer d'atomes uniques, permettant d'optimiser l'efficacité de l'utilisation des atomes.

"Ce travail était comme un puzzle, et toutes les contributions des collaborateurs ont été nécessaires pour obtenir une image détaillée du système, " a déclaré Wu. " Aucune des techniques n'aurait pu raconter l'histoire seule, mais ensemble, nous avons montré que cette méthode a autant de succès qu'elle l'est."