Pour comprendre la structure et la fonction des catalyseurs en action, chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), en coopération avec des collègues du Swiss Light Source SLS de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse et de l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en France, ont développé un nouvel outil de diagnostic. La spectroscopie aux rayons X Operando visualise la structure et les gradients de catalyseurs techniques complexes en trois dimensions, nous permettant ainsi d'examiner le fonctionnement des réacteurs chimiques. Les résultats sont rapportés dans Catalyse naturelle .

La catalyse est indispensable pour de nombreuses branches. 95% de tous les produits chimiques sont produits à l'aide de catalyseurs. Les catalyseurs jouent également un rôle clé dans les technologies énergétiques et la protection de l'environnement. Les catalyseurs sont des matériaux utilisés pour accélérer les réactions chimiques afin de réduire la consommation d'énergie et les sous-produits indésirables. Ce principe chimico-physique est à la base de systèmes entiers, des exemples étant les convertisseurs catalytiques dans les voitures ou les catalyseurs dans les centrales électriques pour éliminer les polluants de leurs gaz d'échappement. Les catalyseurs techniques et industriels sont également utilisés dans la production d'engrais et de polymères. Souvent, ils doivent présenter une résistance à la pression et une résistance mécanique élevées, tout en fonctionnant en plus dans des conditions environnementales dynamiques. Même les plus petites augmentations d'efficacité dans l'élimination des polluants, comme le monoxyde de carbone, oxydes d'azote, et de la poussière fine, à partir des gaz d'échappement ou dans la production d'hydrogène vert se traduira par des avantages majeurs pour l'homme et l'environnement. Améliorer les matériaux et procédés catalytiques existants, cependant, une compréhension exacte de leur fonction est requise. « Que ce soit dans un grand réacteur chimique, dans une batterie, ou sous votre voiture - les catalyseurs techniques et industriels ont souvent une structure très complexe, " explique le Dr Thomas Sheppard de l'Institut de technologie chimique et de chimie des polymères (ITCP) du KIT. " Pour vraiment comprendre comment ces matériaux fonctionnent, nous devons jeter un oeil à l'intérieur du réacteur lorsque le catalyseur fonctionne, idéalement avec un outil analytique pour détecter la structure 3-D complexe du catalyseur actif."

La spectroscopie à rayons X Operando fournit des images 3D et des informations chimiques majeures

Thomas Sheppard a dirigé une étude sur les convertisseurs catalytiques automobiles, dont les résultats sont maintenant rapportés dans Catalyse naturelle par les chercheurs impliqués du KIT, PSI, et ESRF. Pour leurs études, l'équipe a utilisé une installation nouvellement développée et a réalisé des expériences de tomographie dans des installations de rayonnement synchrotron en Suisse et en France. La tomographie par ordinateur produit des images 3D d'un échantillon, y compris l'extérieur et l'intérieur, sans avoir besoin de l'ouvrir. En utilisant un réacteur spécial, les chercheurs ont effectué une tomographie et une spectroscopie aux rayons X pour suivre un processus catalytique actif. De cette façon, ils ont réussi à observer la structure 3-D d'un catalyseur de contrôle des émissions dans des conditions identiques à celles d'un véritable échappement automobile. Cette spectroscopie de rayons X dite operando fournit non seulement la structure 3-D de l'échantillon, mais aussi des informations chimiques importantes.

Méthode adaptée à divers catalyseurs

"Comme les catalyseurs ont souvent une structure assez complexe et non uniforme, il est important de savoir si tout le volume de catalyseur ou seulement certaines parties de celui-ci remplissent leur fonction chimique comme prévu, " explique Johannes Becher de ITCP, l'un des principaux auteurs de l'étude. « La spectroscopie aux rayons X Operando nous permet de voir la structure et la fonction spécifiques de chaque pièce. Cela nous indique si le catalyseur fonctionne à une efficacité maximale ou non et, plus important, cela nous aide à comprendre les processus sous-jacents." Pendant la réaction, l'équipe a observé un gradient structurel des espèces de cuivre actives au sein du catalyseur, qui ne pouvaient pas être détectés auparavant à l'aide d'outils analytiques conventionnels. Il s'agit d'informations diagnostiques importantes concernant les performances des catalyseurs de contrôle des émissions. La méthode elle-même peut être appliquée à de nombreux catalyseurs et processus chimiques différents.

De nouvelles opportunités pour le diagnostic des matériaux et des réactions

Les études de l'équipe montrent comment la visualisation de l'état chimique d'un catalyseur actif en 3D peut offrir de nouvelles opportunités pour le diagnostic des matériaux et des réactions. "Jusqu'à maintenant, il n'était pas possible de choisir librement n'importe quel morceau d'un catalyseur de travail et de comprendre quelles réactions s'y déroulent sans le perturber. Maintenant, nous pouvons suivre exactement quelles réactions se produisent, où, et pourquoi, " déclare le professeur Jan-Dierk Grunwaldt de l'ITCP. " C'est la clé pour améliorer notre compréhension des processus chimiques et concevoir des catalyseurs meilleurs et plus efficaces à l'avenir. à condition qu'un environnement d'échantillonnage approprié existe. Les groupes de Jan-Dierk Grunwaldt et Thomas Sheppard poursuivront leurs investigations dans le cadre du nouveau Collaborative Research Center TrackAct au KIT. TrackAct vise à comprendre et à améliorer la conception et l'efficacité des catalyseurs de contrôle des émissions.