Des milliards de catalyseurs de métaux nobles sont utilisés dans le monde pour la production de produits chimiques, production d'énergie, ou purifier l'air. Cependant, les ressources nécessaires à cet effet sont coûteuses et leur disponibilité est limitée. Pour optimiser l'utilisation des ressources, des catalyseurs à base d'atomes métalliques uniques ont été développés. Une équipe de recherche du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) a démontré que les atomes de métaux nobles peuvent s'assembler pour former des clusters dans certaines conditions. Ces amas sont plus réactifs que les atomes isolés et, Par conséquent, les gaz d'échappement peuvent être beaucoup mieux éliminés. Les résultats sont rapportés dans Catalyse naturelle .

Les catalyseurs de métaux nobles sont utilisés pour une large gamme de réactions. Entre autres, ils sont appliqués dans presque tous les processus de combustion pour réduire les émissions de polluants. Souvent, ils sont constitués de très petites particules du composant actif, tel qu'un métal noble, qui sont appliqués sur un matériau support. Ces nanoparticules sont composées de plusieurs milliers d'atomes métalliques. "Mais seuls les atomes à l'extérieur sont actifs dans la réaction, alors que la plupart des atomes restent inutilisés, " explique le professeur Jan-Dierk Grunwaldt de l'Institut de technologie chimique et de chimie des polymères (ITCP) du KIT. En modifiant les conditions de fonctionnement, la structure d'un tel catalyseur et, Par conséquent, son activité peut être modifiée.

"A des températures élevées dans le système d'échappement d'une voiture, qui sont atteints lors d'un long trajet sur autoroute, par exemple, l'interaction entre le métal noble et le support peut conduire à la formation d'atomes isolés, c'est-à-dire isolé, séparer les atomes métalliques sur le support, " dit Grunwaldt. " On pourrait s'attendre à ce que de tels catalyseurs à un seul atome atteignent un taux d'utilisation très élevé des composants de métaux nobles, car tous les atomes peuvent théoriquement participer à la réaction. » Contrairement à cette attente, cependant, l'équipe de Grunwaldt, en coopération avec les professeurs Christof Wöll de l'Institute of Functional Interfaces of KIT et Felix Studt de l'Institute of Catalysis Research and Technology du KIT, a découvert que ces atomes doivent d'abord former des amas de métaux nobles dans des conditions de réaction pour devenir actifs.

Les chercheurs ont spécifiquement induit la formation d'atomes uniques et examiné leur structure de manière approfondie au cours de la réaction. A l'aide d'une spectroscopie hautement spécialisée et de calculs théoriques, qui ont été utilisés pour la première fois pour cette classe de catalyseurs, l'équipe a réussi à expliquer pourquoi les atomes de platine ont souvent une faible activité. "Pour convertir les polluants, ils doivent généralement réagir avec l'oxygène dans le catalyseur. Pour ça, les deux composants doivent être disponibles au même moment et au même endroit, ce qui n'est pas possible pour des atomes de platine isolés, car l'oxygène pour la réaction requise est beaucoup trop fortement lié au composant porteur - dans notre cas, l'oxyde de cérium, " déclare Florian Maurer de l'ITCP, l'un des principaux auteurs de l'étude. "Après avoir rompu les liaisons platine-oxyde de cérium, les atomes de platine peuvent se déplacer sur la surface du support. Dans une prochaine étape, ces atomes de platine forment de petits amas de platine, sur lequel la réaction se déroule beaucoup plus rapidement que sur des atomes isolés.

Les clusters ont une structure optimale pour une activité élevée

Les études de l'équipe prouvent que ni les nanoparticules ni les atomes isolés n'atteignent la plus haute activité. "L'optimum se situe entre les deux. Il est atteint par de petits amas de métaux nobles, " dit Grunwaldt. " Stabiliser ces clusters de métaux nobles pourrait être la clé pour réduire considérablement la consommation de métaux nobles lors de la production de catalyseurs. Pendant des années, la distribution de plus en plus fine du composant de métal noble a été l'une des principales stratégies dans la conception de nouveaux catalyseurs. Nos expériences ont maintenant révélé les limites du domaine atomique. » Les résultats de l'étude seront désormais utilisés pour la conception et le développement fondés sur les connaissances de catalyseurs à stabilité améliorée et à activité à long terme. Ce sera un axe majeur du travail de le centre des gaz d'échappement de Karlsruhe de KIT, dont le directeur scientifique, Dr Maria Casapu, est co-auteur de l'étude.