« Il s'agit d'un domaine de recherche vraiment passionnant », a déclaré le Dr Peng Zhang, professeur de chimie et de génie biomédical à l'Université Dalhousie et utilisateur de longue date de CLS.

Les catalyseurs sont des nanoparticules recouvertes de matériaux (souvent des métaux coûteux comme le platine, le palladium et l'or) qui accélèrent les réactions chimiques. Un inconvénient majeur des catalyseurs conventionnels est que seul un faible pourcentage du matériau catalytique est utilisé dans la réaction chimique, ce qui les rend inefficaces et inutiles, a expliqué Zhang.

Avec la demande croissante d’énergie propre et durable, l’utilisation de SAC dans les systèmes énergétiques peut protéger l’environnement et permettre d’économiser de l’argent. Les SAC présentent des avantages tels que rendre les réactions plus efficaces, utiliser moins de métaux rares et améliorer les performances de dispositifs tels que les piles à combustible et les batteries. Ils peuvent également aider à stocker l'énergie renouvelable provenant de sources telles que le soleil et le vent, la rendant ainsi plus fiable.

Dans le cas des convertisseurs catalytiques automobiles, conçus pour convertir les émissions d'échappement en polluants moins toxiques, Zhang a déclaré que moins de la moitié des atomes de platine contenus dans le catalyseur sont disponibles pour la réaction chimique nécessaire.

L'objectif de la recherche SAC est de contrôler la structure atomique de surface des catalyseurs avec des atomes individuels du matériau catalytique dans une matrice de matériau moins coûteux, garantissant ainsi que tout le matériau est disponible pour la réaction. "Lorsque vous concevez le catalyseur pour qu'il ait une structure à un seul atome, vous pouvez améliorer considérablement son activité et ses performances dans l'application catalytique", a déclaré Zhang.

Les défis liés au travail au niveau d'un seul atome sont importants, a-t-il admis, mais c'est là qu'intervient le CLS.

"Si vous pensez aux catalyseurs à atome unique, ils sont si petits que vous avez besoin d'un outil de recherche spécial pour découvrir leur structure" afin de comprendre comment les atomes sont disposés et quels atomes sont présents. "Même avec le microscope électronique le plus puissant, vous pouvez probablement voir un atome individuel, mais si vous utilisez la technologie synchrotron, vous pouvez obtenir une résolution 100 fois plus petite."

Zhang a commencé à utiliser les installations et les techniques du synchrotron il y a plus de 20 ans dans ses recherches sur les matériaux en tant que doctorant. étudiant à l'Université de Western Ontario. Lorsque le CLS a ouvert ses portes en 2004, « j'étais très heureux de savoir que nous avions notre premier synchrotron canadien », a-t-il déclaré. Depuis, et comme son propre doctorat. superviseur, il a envoyé ses étudiants au CLS et à son partenaire synchrotron, l'Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, près de Chicago) pour mener des expériences SAC sur place.

Du point de vue de la recherche fondamentale, Zhang a déclaré qu'il restait deux obstacles majeurs au développement de catalyseurs à atome unique.

"Tout d'abord, nous voulons vraiment mieux comprendre pourquoi certains catalyseurs à un seul atome sont si bons, si actifs, mais parfois ils peuvent ne pas être stables après quelques heures. Nous devons donc concevoir des catalyseurs à un seul atome pour qu'ils soient actifs sur une longue période. (de temps). Il y a beaucoup de travail à faire avec ces catalyseurs pour les rendre plus puissants et plus utilisables."

L'autre défi consiste à étendre l'utilisation du SAC à une échelle commerciale.

"Nous souhaitons collaborer avec des acteurs de l'industrie chimique pour trouver des applications concrètes", a déclaré Zhang. "En laboratoire, vous disposez d'une catalyse à très petite échelle, mais dans l'industrie chimique, elle est mille fois plus grande." La possibilité de mettre à l'échelle une réaction catalytique à un seul atome ouvre la porte à « toutes sortes d'applications dans l'industrie chimique ».

Bien que le potentiel futur soit passionnant, Zhang a déclaré que la recherche fondamentale sur le SAC serait impossible sans « l'accès à des installations de classe mondiale comme le CLS et l'APS ».

La recherche est publiée dans la revue Accounts of Chemical Research .