La configuration d'une expérience à la source de lumière avancée de Berkeley Lab qui a utilisé la lumière infrarouge (en rouge) et un microscope à force atomique (au milieu et en haut) pour étudier la chimie de surface locale sur des particules de platine revêtues (jaune) mesurant environ 100 nanomètres de longueur. Crédit :Université hébraïque de Jérusalem
Les défauts et les surfaces déchiquetées sur les bords des nanoparticules de platine et d'or sont des points chauds clés pour la réactivité chimique, une équipe de chercheurs travaillant au Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l'énergie (Berkeley Lab) et à l'Université hébraïque de Jérusalem en Israël a confirmé avec une sonde infrarouge unique.
Des expériences comme celle-ci devraient aider les chercheurs à personnaliser les propriétés structurelles des catalyseurs pour les rendre plus efficaces dans la stimulation des réactions chimiques.
L'étude, publié le 11 janvier dans La nature , est une étape importante dans la chronique de l'impact de la structure atomique des nanoparticules sur leur fonction de catalyseur dans les réactions chimiques. Catalyseurs, qui jouent un rôle dans la fabrication de nombreux produits industriels, comme les engrais, carburant, et plastiques, sont des matériaux qui peuvent accélérer les réactions chimiques et les rendre plus efficaces tout en restant inchangés dans le processus.
Les scientifiques savent que les matériaux peuvent se comporter différemment à l'échelle nanométrique qu'ils ne le font en plus grande quantité, et que la personnalisation de leur taille et de leur forme peut améliorer leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Cette nouvelle technique a permis de localiser les zones sur des particules métalliques uniques - qui mesurent environ 100 nanomètres - sont les plus actives dans les réactions chimiques.
Les chercheurs ont combiné un large spectre de lumière infrarouge, produit par Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, avec un microscope à force atomique pour révéler différents niveaux de réactivité chimique aux bords des nanoparticules simples de platine et d'or par rapport à leur lisse, surfaces planes.
Ils ont utilisé une capacité unique à ALS, baptisé SINS (pour la nanospectroscopie infrarouge basée sur le rayonnement synchrotron), pour explorer la chimie détaillée se produisant à la surface des particules, et atteint une résolution jusqu'à 25 nanomètres.
"Cela vous permet de voir toutes ces interactions en chimie, " a déclaré Michel Martin, un scientifique senior en charge des lignes infrarouges à l'ALS. "C'est ce qui rend cela spécial."
Hans Bechtel, un chercheur au Berkeley Lab qui travaille sur les lignes infrarouges de l'ALS, ajoutée, "Vous pouvez voir simultanément les réactifs et les produits formés dans les réactions."
Dans l'expérience, les chercheurs ont recouvert les particules métalliques d'une couche de molécules réactives et ont concentré la lumière infrarouge produite par l'ALS sur la minuscule pointe (25 nanomètres de diamètre) du microscope à force atomique.
La pointe du microscope, lorsqu'il est couplé à la lumière infrarouge hautement focalisée, a fonctionné comme une antenne extrêmement sensible pour cartographier la structure de surface de nanoparticules individuelles tout en révélant également leur chimie de surface détaillée.
À partir d'une collection de particules de platine à l'échelle nanométrique, la gauche, les chercheurs se sont penchés sur la chimie se produisant dans différentes zones de surface de particules de platine nanométriques individuelles comme celle de droite, qui mesure environ 100 milliardièmes de pouce de diamètre. Les chercheurs ont découvert que la réactivité chimique est concentrée vers les bords des particules (cercle rouge à droite), avec une activité moindre dans la zone centrale (cercle noir). Cette image a été produite par un microscope à force atomique. Crédit :Cartographie à haute résolution spatiale des réactions catalytiques sur des particules uniques, La nature , 11 janvier 2017
"Nous avons pu voir l'empreinte exacte des molécules à la surface des particules et valider une hypothèse bien connue dans le domaine de la catalyse, " dit Elad Gross, membre du corps professoral de l'Institut de chimie et du Centre de nanosciences et de nanotechnologies de l'Université hébraïque de Jérusalem, qui a dirigé l'étude avec F. Dean Toste, chercheur à la faculté des sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur au département de chimie de l'UC Berkeley.
Connaître le niveau précis d'énergie nécessaire pour déclencher des réactions chimiques (l'énergie d'activation) est essentiel pour optimiser les réactions, et peut réduire les coûts à l'échelle industrielle en économisant l'utilisation de l'énergie.
"Cette technique a la capacité de vous dire non seulement où et quand une réaction s'est produite, mais aussi pour déterminer l'énergie d'activation de la réaction en différents sites, " Gross a déclaré. "Ce que vous avez ici est un outil qui peut répondre à des questions fondamentales dans la recherche sur la catalyse. Nous avons montré que les zones très défectueuses au niveau atomique sont plus actives que les surfaces lisses."
Cette caractéristique est liée à la petite taille des particules, Brut noté. "Au fur et à mesure que la taille des particules diminue, la structure est moins uniforme et vous avez plus de défauts, " il a dit.
Les particules plus petites ont une surface spécifique par particule plus élevée que les particules plus grosses, ce qui signifie que plus d'atomes seront situés sur les bords. Les atomes aux bords des particules ont moins de voisins que ceux le long de ses surfaces lisses, et moins de voisins signifie plus de liberté pour participer à la chimie avec d'autres éléments.
Comme les réactions chimiques étudiées se produisent très rapidement - en moins d'une seconde - et que la technique ALS peut prendre environ 20 minutes pour balayer un seul point sur une particule, les chercheurs ont utilisé une couche de molécules chimiquement actives, qui étaient attachés à la surface de la particule, comme marqueurs de la réactivité catalytique.
Doyen Toste, la gauche, de Berkeley Lab et UC Berkeley, et Elad Gross, droit, de l'Université hébraïque de Jérusalem, a dirigé une étude de la réactivité chimique spécifique au site sur de minuscules particules de platine et d'or à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab. Crédit :Roy Kaltschmidt/Laboratoire de Berkeley
La réaction catalytique dans l'étude était analogue à ce qui se produit dans les convertisseurs catalytiques des véhicules à essence. Les convertisseurs catalytiques utilisent des particules de platine et d'autres matériaux pour convertir les gaz d'échappement des voitures en émissions moins toxiques.
Les futures expériences prévues à l'aide de la technique SINS se concentreront sur la documentation des processus chimiques actifs qui utilisent des flux contrôlés de gaz ou de liquides pour déclencher des réactions, les chercheurs ont dit, et les expériences futures peuvent utiliser des pressions et des températures variables pour évaluer les effets.
"Je pense que cela va être un outil très intéressant pour d'autres expériences et analyses qui peuvent répondre à beaucoup de questions auxquelles on ne pouvait pas répondre auparavant, " Gross a déclaré. " Cet outil nous donne la possibilité d'obtenir une meilleure résolution de trois ordres de grandeur que certaines autres techniques, qui a ouvert un champ très large pour les études de catalyse et de chimie de surface."
De futures études pourraient également combiner des méthodes basées sur l'infrarouge et les rayons X à l'ALS pour recueillir des informations chimiques plus riches, les chercheurs ont dit. Il existe déjà des plans pour une nouvelle ligne de lumière infrarouge à l'ALS qui augmentera la capacité et les capacités des études chimiques infrarouges et lancera également des études structurelles 3D basées sur l'infrarouge à l'ALS.
