Un mécanisme de formation de dioxyde de cérium nanocristallin (CeO2), un nanomatériau polyvalent, a été dévoilé par des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, Australie. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue scientifique Chimie – Une revue européenne . Cette découverte simplifie et atténue potentiellement les processus synthétiques existants de production de CeO2 nanocristallin.

Les particules de CeO2 nanocristallines sont largement utilisées, par exemple, dans les catalyseurs pour le traitement des gaz dangereux, dans les électrodes pour piles à combustible à oxyde solide, dans les matériaux de polissage pour circuits intégrés avancés, dans les cosmétiques solaires, et dans des applications médicales telles que la superoxyde dismutase artificielle. Les synthèses industrielles actuelles de CeO2 nanocristallin sont basées sur des procédés sol-gel suivis d'un traitement thermique et/ou de l'ajout de réactifs accélérateurs. Toute amélioration supplémentaire de la stratégie de synthèse des nanocristaux de CeO2 nécessite une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans leur formation à l'échelle atomique.

Dr Atsushi Ikeda-Ohno de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, Australie, avec le Dr Christoph Hennig du HZDR, ils ont opté pour une approche multi-spectroscopique sophistiquée qui combine la diffusion dynamique de la lumière et les techniques de rayons X basées sur le synchrotron. Ces investigations complexes ont impliqué l'utilisation de deux installations synchrotron de classe mondiale de l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, La France, et SPring-8 à Hyogo, Japon.

Surveillance en direct

Pour la toute première fois, les scientifiques ont pu effectuer une observation in-situ de l'évolution des nanocristaux. Jusque là, on sait peu de choses sur le mécanisme de formation des nanocristaux métalliques; principalement parce que les techniques analytiques appropriées faisaient défaut. Les techniques les plus largement utilisées pour la recherche sur les nanocristaux métalliques sont la microscopie électronique et la diffraction des rayons X. Ils sont suffisamment puissants pour visualiser l'apparition des nanocristaux et acquérir les informations de leur réseau, mais ils ne sont pas applicables à l'état de solution où se produit l'évolution des nanocristaux métalliques. « Sonder la formation de CeO2 nanocristallin dans une solution aqueuse, nous avons combiné différentes techniques spectroscopiques, y compris la diffusion dynamique de la lumière, spectroscopie d'absorption des rayons X synchrotron, et la diffusion des rayons X à haute énergie, " dit le Dr Atsushi Ikeda-Ohno.

Les informations obtenues par les chercheurs sont fondamentales pour simplifier et atténuer le processus de synthèse des nanocristaux de CeO2. Ils ont révélé que des nanoparticules de CeO2 de taille uniforme peuvent être produites simplement par ajustement du pH du cérium tétravalent (Ce(IV)) dans une solution aqueuse sans traitement physico-chimique ultérieur tel que le chauffage ou l'ajout de produits chimiques accélérateurs. Les cristaux de CeO2 produits ont une taille de particule uniforme de 2 à 3 nanomètres, quelles que soient les conditions de préparation (p. ex. pH et type d'ajustement du pH). Cette granulométrie est exactement dans la gamme qui est intéressante pour les applications industrielles. Une découverte clé est que les espèces de solution de Ce(IV) mononucléaires ne donnent pas de cristaux de CeO2 de taille nanométrique. La condition préalable est la présence d'espèces oligomères en solution de Ce(IV), tels que des dimères ou des trimères.

"Nous sommes en effet très heureux que notre approche multi-spectroscopique soit également applicable à toute autre recherche sur les nanocristaux métalliques. C'est pourquoi cette étude contribue à un domaine de recherche émergent sur les nanocristaux métalliques dans un contexte plus large, " dit le Dr Christoph Hennig. " Et la propre station de mesure du HZDR à l'ESRF offre les meilleures opportunités possibles pour ce domaine de recherche des nanocristaux métalliques qui contribue directement aux applications industrielles. "