Au Karlsruhe Institute of Technology (KIT), les scientifiques ont étudié les nanoparticules d'oxyde de cérium à l'aide de molécules sondes et d'un système de mesure infrarouge à ultravide complexe et ont obtenu de nouvelles informations sur leur structure de surface et leur activité chimique. Leurs travaux sont rapportés dans trois articles publiés dans la revue Angewandte Chemie .
Oxydes de cérium, composés de l'oxygène et de la terre rare cérium, sont parmi les oxydes les plus importants pour les applications techniques. Ceria est principalement utilisé en catalyse hétérogène, des exemples étant les pots catalytiques des gaz d'échappement des voitures particulières, photocatalyse dans les cellules solaires, fractionnement de l'eau, ou la décomposition de polluants. Céria, tel qu'il est utilisé dans les convertisseurs catalytiques, se présente sous forme de poudre. Il se compose de particules nanométriques de structure très complexe. La disposition spéciale des atomes de métal et d'oxygène à la surface détermine les propriétés physiques et chimiques de l'oxyde de cérium. Jusque là, cependant, il a été impossible d'analyser précisément les processus de réarrangement et de reconstruction se déroulant à la surface des nanoparticules.
Chez KIT, des scientifiques de l'Institut des interfaces fonctionnelles (IFG) sous la direction du professeur Christof Wöll ont mis au point une nouvelle méthode pour étudier les propriétés chimiques des surfaces d'oxyde ces dernières années. Ils ont utilisé de petites molécules, comme le monoxyde de carbone (CO), l'oxygène moléculaire (O2), ou protoxyde d'azote (N2O), comme molécules sondes. Ces molécules se fixent à la surface des nanoparticules d'oxyde. Puis, les chercheurs déterminent les fréquences de vibration des molécules sondes. « Cette approche a permis des avancées majeures dans la compréhension des propriétés de surface des nanoparticules d'oxyde de cérium, ", dit Christof Wöll.
En collaboration avec des scientifiques de l'Institut de recherche et de technologie en catalyse (IKFT) du KIT, Humboldt-Universität zu Berlin, l'Université d'Udine/Italie, et l'Université Polytechnique de Catalogne à Barcelone/Espagne, les chercheurs de l'IFG ont étudié divers aspects de la structure de surface et de l'activité chimique des nanoparticules d'oxyde de cérium.
La principale raison des progrès réalisés est que les chercheurs ont réussi à vérifier les fréquences de vibration mesurées pour les poudres par des mesures utilisant des substances modèles exactement définies. Ils ont appliqué un système infrarouge à ultra-vide unique. En outre, ils ont utilisé des calculs de mécanique quantique pour attribuer les bandes de vibration auparavant inconnues des particules d'oxyde. De cette façon, ils ont acquis des connaissances entièrement nouvelles sur la chimie de surface des nanoparticules d'oxyde de cérium.
Les scientifiques ont prouvé que la surface d'une nanoparticule de cérium en forme de barre présente un certain nombre de défauts, tels que les nanofacettes en dents de scie, manque d'oxygène, coins, et les bords. Ces irrégularités conduisent probablement à la forte activité catalytique de telles nanoparticules. En outre, les chercheurs ont découvert que la photoréactivité de l'oxyde de cérium peut être considérablement améliorée par la génération de lacunes d'oxygène, c'est-à-dire des sites d'oxygène inoccupés. Une autre étude a fourni des informations de base sur la position des lacunes d'oxygène sur diverses surfaces d'oxyde de cérium et leur pertinence pour l'activation de l'oxygène. « Sur la base de nos constatations, nous pouvons désormais développer et optimiser systématiquement les convertisseurs catalytiques et photocatalyseurs à base de cérium à l'échelle nanométrique, " dit le professeur Wöll.
