(Phys.org) — Des instantanés à l'échelle atomique d'un catalyseur à nanoparticules bimétalliques en action ont fourni des informations qui pourraient aider à améliorer le processus industriel par lequel les carburants et les produits chimiques sont synthétisés à partir du gaz naturel, charbon ou biomasse végétale. Une collaboration de laboratoire multinationale dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) a examiné l'évolution des nanoparticules bimétalliques platine/cobalt au cours des réactions dans les gaz d'oxygène et d'hydrogène.

"En utilisant la microscopie électronique à transmission (MET) à correction d'aberration in situ, nous avons constaté que pendant la réaction d'oxydation, les atomes de cobalt migrent vers la surface des nanoparticules, former un film épitaxié d'oxyde de cobalt, comme l'eau sur l'huile, " dit Haimei Zheng, un scientifique de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé cette étude. « Au cours de la réaction de réduction d'hydrogène, les atomes de cobalt migrent de nouveau dans la masse, laissant une monocouche de platine à la surface. Ces informations atomiques fournissent un point de référence important pour la conception et l'ingénierie de meilleurs catalyseurs bimétalliques à l'avenir. »

Zheng, un récipiendaire 2011 d'un DOE Office of Science Early Career Award, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Lettres nano intitulé "Révéler la restructuration atomique des nanoparticules de Pt-Co". Les co-auteurs à Berkeley sont Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin Wang Wang, Miquel Salmeron et Gabor Somorjai. Les autres co-auteurs sont Chong-Min Wang et Libor Kovarik, du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Eric Stach du Laboratoire national de Brookhaven (BNL), et Arda Genc de la société FEI en Oregon.

Les catalyseurs bimétalliques attirent actuellement beaucoup l'attention de l'industrie chimique car, dans de nombreux cas, ils offrent des performances supérieures à leurs homologues monométalliques. Il existe également la possibilité d'ajuster leurs performances catalytiques pour répondre à des besoins spécifiques. Un catalyseur bimétallique d'un intérêt particulier consiste en l'appariement du platine, l'étalon-or des catalyseurs monométalliques, au cobalt, un catalyseur moindre mais qui est nettement moins cher que le platine. Le catalyseur platine/cobalt n'est pas seulement considéré comme un système modèle pour l'étude d'autres nanocatalyseurs bimétalliques, c'est aussi un excellent promoteur du procédé Fischer-Tropsch largement utilisé, dans lesquels des mélanges d'hydrogène et de monoxyde de carbone sont convertis en carbones à longue chaîne destinés à être utilisés comme combustibles ou dans des piles à combustible à basse température.

"Bien qu'il y ait eu de nombreuses études sur le platine/cobalt et d'autres catalyseurs bimétalliques, des informations sur la façon dont les réactions se déroulent au niveau atomique et à quoi ressemble la morphologie ont été manquantes, " dit Zheng. " Pour acquérir ces informations, il était nécessaire de cartographier les structures atomiques dans des environnements réactifs in situ, ce que nous avons fait en utilisant des TEM spécialement équipés."

Les expériences MET environnementales in situ ont été réalisées à la fois au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, qui est situé au PNNL, et au Centre des nanomatériaux fonctionnels du BNL. L'imagerie TEM corrigée des aberrations ex situ a été réalisée au Centre national de microscopie électronique de Berkeley Lab à l'aide de TEAM 0.5, le TEM le plus puissant au monde.

"Ce travail est un excellent exemple de travail d'équipe collaboratif entre plusieurs instituts, ", a déclaré Zheng. "Avoir accès à des ressources aussi haut de gamme et être capable de former des collaborations d'équipe aussi étroites renforce notre capacité à résoudre des problèmes scientifiques difficiles."

Les études MET corrigées des aberrations in situ de Zheng et de ses collègues ont révélé qu'en raison d'un décalage de taille entre les réseaux du film épitaxié d'oxyde de cobalt et la surface de platine, le réseau d'oxyde de cobalt est soumis à une contrainte de compression à l'interface pour s'adapter au réseau de platine. Au fur et à mesure que l'énergie de tension se relâche, le film d'oxyde de cobalt commence à se briser pour former des îlots moléculaires distincts à la surface du platine. Cela réduit la surface de réaction efficace par volume et crée des vides catalytiques, les deux ayant un impact sur les performances catalytiques globales.

"En prenant en considération cette ségrégation des atomes de platine et de cobalt, la contrainte interfaciale qui se produit pendant l'oxydation peut être prédite, ", dit Zheng. "Nous pouvons alors concevoir des catalyseurs à nanoparticules pour garantir que, pendant les réactions, le matériau avec des performances catalytiques plus élevées sera à la surface des nanoparticules."

Zheng ajoute que la capacité d'observer les détails à l'échelle atomique de l'évolution de la structure des nanoparticules dans leurs environnements réactifs ouvre non seulement la voie à une compréhension plus approfondie de la catalyse des nanoparticules bimétalliques, il permet également l'étude d'une plus grande variété de systèmes de nanoparticules où les voies de réaction restent insaisissables.