Il faut regarder de très près pour comprendre quels processus se déroulent à la surface des catalyseurs. Les catalyseurs solides sont souvent des matériaux finement structurés constitués de minuscules cristaux. Il existe diverses microscopies pour surveiller les processus chimiques sur ces surfaces - elles utilisent, par exemple, la lumière ultraviolette, les rayons X ou les électrons. Mais aucune méthode ne fournit à elle seule une image complète.

C'est pourquoi des équipes de recherche de la TU Wien et de l'Institut Fritz Haber de Berlin ont développé une nouvelle approche qui permet d'avoir un « œil triple » sur une réaction catalytique, en utilisant trois microscopies de surface différentes. De cette manière, ils ont pu montrer que lors de la conversion catalytique de l'hydrogène et de l'oxygène en eau, les fronts de réaction à la surface du cristal non seulement forment des motifs géométriques remarquables, mais qu'un nouveau mécanisme de propagation de ces fronts a également été découvert.

Pour les technologies liées au climat telles que la production d'énergie à base d'hydrogène écologiquement propre, une compréhension globale de ces processus est cruciale.

Différentes mesures dans un seul instrument

"De nombreuses questions scientifiques ne peuvent être résolues qu'en combinant différentes méthodes de microscopie sur le même échantillon, ce que l'on appelle la microscopie corrélative", déclare le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. "Cependant, cela vient généralement avec des limites."

Vous devez retirer un échantillon d'un instrument et refaire la même expérience dans un autre microscope. Souvent, pour des raisons méthodologiques, les conditions expérimentales sont alors complètement différentes :certaines mesures ont lieu dans le vide, d'autres dans l'air. Les températures sont souvent différentes. De plus, vous ne regardez peut-être pas le même endroit sur l'échantillon avec différents instruments, ce qui peut également influencer les résultats. Ainsi, il est difficile de combiner les résultats de différentes mesures de manière fiable.

Ultraviolets, rayons X et électrons

Maintenant, cependant, il a été possible de combiner trois microscopies différentes de manière à ce que le même point sur le même échantillon soit examiné dans les mêmes conditions environnementales. Trois microscopies électroniques différentes ont été utilisées :deux variantes différentes de la microscopie électronique à photoémission (PEEM), à savoir UV-PEEM et X-PEEM, et la microscopie électronique à basse énergie (LEEM).

Dans UV-PEEM et X-PEEM, la surface de l'échantillon est éclairée respectivement par la lumière ultraviolette et les rayons X. Dans les deux cas, il en résulte une émission d'électrons depuis la surface. Semblable à la façon dont les faisceaux lumineux sont focalisés dans un microscope optique, les faisceaux d'électrons forment une image en temps réel de la surface et des processus qui s'y déroulent.

Dans un X-PEEM, on peut en outre filtrer les électrons émis en fonction de leurs énergies et ainsi déterminer la composition chimique de la surface de l'échantillon. L'accès aux rayons X de haute énergie et de haute intensité nécessaires a été fourni à l'équipe de recherche par le synchrotron de Berlin (HZB BESSY II). Dans la technique LEEM, la surface est irradiée par un faisceau d'électrons. Les électrons qui sont rétrodiffusés depuis la surface créent l'image en temps réel de la surface de l'échantillon et des processus en cours, comme une réaction catalytique.

Étant donné que les trois microscopies utilisent des mécanismes d'imagerie différents, cela a permis d'étudier différents aspects de l'oxydation catalytique de l'hydrogène sur un site structurellement identique de l'échantillon , explique le professeur Yuri Suchorski, impliqué dans la microscopie de surface depuis 1974. "De plus, le X -La technique PEEM fournit un contraste chimique et nous permet donc de corréler la formation du motif sur la surface avec la composition chimique de la surface et les réactifs présents sur la surface, d'où le terme de microscopie corrélative."

Regarder comment l'hydrogène s'oxyde en eau

Ainsi, il est devenu possible d'étudier l'oxydation de l'hydrogène sur des régions microscopiques structurellement bien définies d'une feuille de rhodium (détermination de la structure par des chercheurs de l'USTEM de la TU Wien) de manière polyvalente et en temps réel.

La réaction se propage sur la surface comme une vague, révélant un nouveau type de formation de motifs qui n'avait jamais été rencontré auparavant. "Devant le front de propagation de la réaction, de nouveaux petits îlots de zones catalytiquement actives se forment, accélérant la propagation de la réaction", explique le professeur Rupprechter. Dans des simulations informatiques qui fournissent une microscopie de réaction virtuelle, l'équipe a pu modéliser et expliquer la formation de ces îles.

Grâce à l'approche corrélative, il était désormais possible d'utiliser efficacement la force spécifique de chacune des méthodes de microscopie respectives (résolution spatiale et énergétique, champ de vision, grossissement jusqu'au nanomètre), et ainsi d'imager une réaction catalytique en cours dans un temps sans précédent. détail.

L'oxydation de l'hydrogène en eau par des catalyseurs solides est l'un des processus importants qui permettent la génération d'énergie sans combustion et sans pollution (les gaz d'échappement sont constitués d'eau pure), par exemple dans les piles à combustible. Pour les développements futurs des nouvelles technologies de production d'énergie verte, il sera important d'observer de plusieurs yeux les réactions catalytiques en cours afin de comprendre en profondeur les détails les plus fins des processus catalytiques.

La recherche a été publiée dans ACS Catalysis . + Explorer plus loin

Nanoparticules :Le rythme complexe de la chimie