Une équipe de l'Université de Pittsburgh a surmonté un obstacle majeur au développement de nanomatériaux tels que ceux qui pourraient conduire à des catalyseurs plus efficaces utilisés pour produire de l'hydrogène et rendre les gaz d'échappement des voitures moins toxiques. Les chercheurs ont rapporté le 29 novembre dans Matériaux naturels la première démonstration de stabilité à haute température dans des nanoparticules métalliques, les matériaux de nouvelle génération tant vantés, entravés par une vulnérabilité à la chaleur extrême.
Götz Veser, professeur agrégé et membre de la faculté CNG en génie chimique et pétrolier à la Pitt's Swanson School of Engineering, et Anmin Cao, l'auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral au laboratoire de Veser, créé des particules d'alliage métallique dans la gamme de 4 nanomètres qui peuvent résister à des températures de plus de 850 degrés Celsius, au moins 250 degrés de plus que les nanoparticules métalliques typiques. Forgé à partir des métaux catalytiques platine et rhodium, les particules hautement réactives agissent en déversant leurs composants sensibles à la chaleur lorsque les températures augmentent, un Cao de qualité comparé à un gecko perdant sa queue en légitime défense.
"L'instabilité naturelle des particules à cette échelle est un obstacle pour de nombreuses applications, des capteurs à la production de carburant, " Veser a déclaré. " Le potentiel incroyable des nanoparticules pour ouvrir des champs complètement nouveaux et permettre des processus considérablement plus efficaces a été démontré dans des applications de laboratoire, mais très peu de cela s'est traduit dans la vie réelle en raison de problèmes tels que la sensibilité à la chaleur. Pour que nous profitions des avantages des nanoparticules, ils doivent résister aux conditions difficiles d'utilisation réelle.
Veser et Cao présentent une approche originale pour stabiliser des catalyseurs métalliques inférieurs à 5 nanomètres. Les matériaux de cette gamme de tailles présentent une surface spécifique plus élevée et permettent une utilisation quasi totale des particules, permettant des réactions plus efficaces. Mais ils fusionnent également à environ 600 degrés Celsius - des températures de réaction inférieures aux températures de réaction habituelles pour de nombreux processus catalytiques - et deviennent trop gros. Les tentatives de stabilisation des métaux ont consisté à les enfermer dans des nanostructures résistantes à la chaleur, mais les méthodes les plus prometteuses n'ont été démontrées que dans la plage de 10 à 15 nanomètres, Cao a écrit. Veser lui-même a conçu des nanostructures à base d'oxyde qui stabilisent des particules aussi petites que 10 nanomètres.
Pour la recherche en Matériaux naturels , lui et Cao ont mélangé du platine et du rhodium, qui a un point de fusion élevé. Ils ont testé l'alliage via une réaction de combustion du méthane et ont découvert que le composite n'était pas seulement un catalyseur hautement réactif, mais que les particules maintenaient une taille moyenne de 4,3 nanomètres, même pendant une exposition prolongée à une chaleur de 850 degrés. En réalité, de petites quantités de particules de 4 nanomètres sont restées après que la température ait dépassé les 950 degrés Celsius, bien que la majorité ait gonflé à huit fois cette taille.
Veser et Cao ont été surpris de constater que l'alliage ne supportait pas simplement la chaleur. Il a plutôt sacrifié le platine à faible tolérance puis s'est reconstitué en tant que catalyseur riche en rhodium pour terminer la réaction. À environ 700 degrés Celsius, l'alliage platine-rhodium a commencé à fondre. Le platine "saigne" de la particule et forme des particules plus grosses avec d'autres platines errants, laissant les particules alliées les plus durables aux intempéries. Veser et Cao ont prédit que cette auto-stabilisation se produirait pour tous les catalyseurs métalliques alliés à un second, métal plus résistant.
Source :Université de Pittsburgh
