Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, Université Stony Brook (SBU), et d'autres institutions collaboratrices ont découvert des dynamiques, des détails au niveau atomique sur le fonctionnement d'un important catalyseur à base de platine dans la réaction de conversion eau-gaz. Cette réaction transforme le monoxyde de carbone (CO) et l'eau (H 2 O) en dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l'hydrogène gazeux (H 2 ) - une étape importante dans la production et la purification d'hydrogène pour de multiples applications, y compris l'utilisation comme carburant propre dans les véhicules à pile à combustible, et dans la production d'hydrocarbures.

Mais parce que le platine est rare et cher, les scientifiques ont cherché des moyens de créer des catalyseurs qui utilisent moins de ce métal précieux. Comprendre exactement ce que fait le platine est une étape essentielle.

La nouvelle étude, Publié dans Communication Nature , identifie les atomes impliqués dans le site actif du catalyseur, résoudre les rapports contradictoires antérieurs sur le fonctionnement du catalyseur. Les expériences fournissent des preuves définitives que seuls certains atomes de platine jouent un rôle important dans la conversion chimique.

"Une partie du défi est que le catalyseur lui-même a une structure complexe, " a expliqué l'auteur principal Yuanyuan Li, un chercheur scientifique au département de science des matériaux et de génie chimique de SBU qui a un rendez-vous d'invité dans la division de chimie de Brookhaven Lab et travaille sous la direction d'Anatoly Frenkel, co-responsable Brookhaven/SBU.

"Le catalyseur est composé de nanoparticules de platine (des amas d'atomes de platine) reposant sur une surface d'oxyde de cérium (cérium). Certains de ces atomes de platine se trouvent à la surface de la nanoparticule, certains sont dans le noyau; certains sont à l'interface avec ceria, et certains d'entre eux sont au périmètre - les bords extérieurs - de cette interface, " a déclaré Li. " Ces positions et la façon dont vous placez les particules sur la surface peuvent influencer les atomes qui interagiront avec le support ou avec les molécules de gaz, parce que certains sont exposés et d'autres non."

Des expériences antérieures avaient produit des résultats contradictoires quant à savoir si les réactions se produisent sur les nanoparticules ou sur des atomes de platine isolés, et si les sites actifs sont chargés positivement ou négativement ou neutres. Les détails sur la façon dont le support d'oxyde de cérium interagit avec le platine pour l'activer pour l'activité catalytique n'étaient pas non plus clairs.

« Nous avons voulu répondre à ces questions, " a déclaré Li. "Pour identifier le site actif et déterminer ce qui se passe réellement sur ce site, c'est mieux si on peut étudier ce type de catalyseur au niveau atomique, " a-t-elle noté.

L'équipe, qui comprenait des scientifiques du Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) et d'autres institutions aux États-Unis et en Suède, utilisé une gamme de techniques pour faire exactement cela. Ils ont étudié le catalyseur dans des conditions de réaction et, de façon inattendue, capturé un effet particulier qui s'est produit lorsque les catalyseurs ont atteint leur état actif dans des conditions de réaction.

"Les atomes de platine au périmètre des particules" dansaient "dans et hors foyer dans une expérience de microscopie électronique réalisée par nos collaborateurs, tandis que le reste des atomes étaient beaucoup plus stables, " a déclaré Frenkel. Un tel comportement dynamique n'a pas été observé lorsque certains des réactifs (CO ou eau) ont été retirés du flux de molécules en réaction.

"Nous avons constaté que seuls les atomes de platine au périmètre de l'interface entre les nanoparticules et le support de cérine fournissent l'activité catalytique, " a déclaré Li. " Les propriétés dynamiques de ces sites périphériques permettent au CO d'obtenir de l'oxygène de l'eau afin qu'il puisse devenir du CO 2 , et l'eau (H 2 O) perd de l'oxygène pour devenir de l'hydrogène."

Maintenant que les scientifiques savent quels atomes de platine jouent un rôle actif dans le catalyseur, ils peuvent être capables de concevoir des catalyseurs qui ne contiennent que ces atomes de platine actifs.

"Nous pourrions supposer que tous les atomes de platine de surface fonctionnent, mais ils ne le sont pas, " dit Li. " Nous n'avons pas besoin de tous, juste les actifs. Cela pourrait nous aider à rendre le catalyseur moins cher en éliminant les atomes qui ne sont pas impliqués dans la réaction. Nous pensons que ce mécanisme peut être généralisé à d'autres systèmes et réactions catalytiques, " elle a ajouté.

Les détails expérimentaux

Des "instantanés" de microscopie électronique au CFN et à l'Institut national des normes et de la technologie ont révélé la nature dynamique des atomes de platine du périmètre. « Dans certaines images, le site du périmètre est là, tu peux le voir, mais dans certaines images, ce n'est pas là. C'est la preuve que ces atomes sont très dynamiques, avec une grande mobilité, " dit Li.

Des études de spectroscopie infrarouge (IR) dans la division de chimie de Brookhaven ont révélé que l'apparition des sites périphériques coïncidait avec des « lacunes d'oxygène », une sorte de défaut à la surface de l'oxyde de cérium. Ces études ont également montré que le CO avait tendance à migrer à travers la surface des nanoparticules de platine vers les atomes du périmètre, et que les groupes hydroxy (OH) s'attardaient sur le support d'oxyde de cérium près des atomes de platine du périmètre.

"Il semble donc que les atomes de platine du périmètre amènent les deux réactifs, CO et OH (provenant des molécules d'eau) ensemble, " dit Li.

Des études de spectroscopie photoélectronique aux rayons X en chimie ont révélé que les atomes de platine du périmètre étaient également activés, passant d'un état non métallique à un état métallique qui pourrait capturer les atomes d'oxygène des groupes OH et fournir cet oxygène au CO. sites permettent à la réaction d'avoir lieu, " dit Li.

Une dernière série d'expériences - des études de spectroscopie d'absorption des rayons X menées à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d'Argonne du DOE - ont montré les changements structurels dynamiques du catalyseur.

"Nous voyons que la structure change dans les conditions de réaction, " dit Li.

Ces études ont également révélé une liaison inhabituellement longue entre les atomes de platine et l'oxygène sur le support de cérium, suggérant que quelque chose d'invisible aux rayons X occupait l'espace entre les deux.

"Nous pensons qu'il y a de l'hydrogène atomique entre la nanoparticule et le support. Les rayons X ne peuvent pas voir les atomes légers comme l'hydrogène. Dans des conditions de réaction, ces hydrogènes atomiques se recombinent pour former H 2 , " elle a ajouté.

Les caractéristiques structurelles et les détails sur la façon dont les changements dynamiques sont liés à la réactivité aideront les scientifiques à comprendre le mécanisme de fonctionnement de ce catalyseur particulier et à en concevoir potentiellement des avec une meilleure activité à moindre coût. Les mêmes techniques peuvent également être appliquées aux études d'autres catalyseurs.