L'or est le métal le plus noble, le plus résistant à l'oxydation. Cependant, l'or de taille nanométrique a une capacité unique à jouer le rôle de catalyseur, même à basse température. Le mécanisme sous-jacent de ce changement de propriétés dépendant de la taille a intrigué les scientifiques depuis que le phénomène a été découvert à la fin des années 1980.

Une équipe de chercheurs, dont Yingge Du, Chongmin Wang, et Jun Li du Pacific Northwest National Laboratory, a entrepris de répondre à cette question en utilisant la microscopie électronique à transmission environnementale de pointe avec correction des aberrations. Leurs travaux ont révélé de nouvelles connaissances sur les propriétés catalytiques exceptionnelles des particules d'or ultrapetites lorsqu'elles sont exposées au gaz réactif. Les détails de leurs conclusions ont été publiés dans un Actes de l'Académie nationale des sciences article intitulé « structures dynamiques dépendantes de la taille des nanoparticules d'or supportées dans des conditions de réaction d'oxydation du CO ».

Les études in situ d'amas d'or ultrapetits dans un environnement réactif ont fait défaut, rendant difficile la vérification de l'origine de l'effet de taille en catalyse. Cette étude a utilisé la microscopie électronique à transmission in situ pour révéler que les nanoparticules d'or, lorsqu'il est isolé jusqu'à une taille critique, subir des changements structurels dynamiques dans les conditions de travail catalytiques, et tous les atomes d'or d'un cluster peuvent être activés pour favoriser les réactions catalytiques. La preuve de la transformation à cette échelle ultra-petite ne peut être obtenue que par la caractérisation in situ et operando.

Cette découverte remet en question la pensée classique selon laquelle l'or en tant que catalyseur conserve la même structure entre les conditions statiques et catalytiques. En réalité, ces amas d'or ultrapetits par ailleurs stables peuvent se transformer en une phase métastable. Les résultats suggèrent également que les nanocatalyseurs peuvent fonctionner comme des catalyseurs à un seul atome générés dynamiquement, un concept qui a récemment suscité un intérêt remarquable dans la communauté de la catalyse.

"Les relations détaillées structure-stabilité-propriété établies ici peuvent conduire à un changement de paradigme dans la conception de catalyseurs efficaces en termes d'atomes, " dit Wang.

Amas d'or ultra-petits supportés sur cérine monocristalline [CeO 2 (111)] des films minces ont été exposés au monoxyde de carbone réactif et à l'oxygène (CO + O 2 ) gaz utilisant la microscopie électronique environnementale in situ combinée à une modélisation informatique et à des simulations ab initio de dynamique moléculaire. Les chercheurs ont observé différentes réponses structurelles au gaz réactif en fonction de la taille de la nanoparticule. Sous sa forme ultrapetite (des dizaines d'atomes), une nanoparticule d'or a affiché des changements structurels dynamiques dans les conditions de travail catalytique ; la structure intrinsèque a été perdue et les amas sont devenus désordonnés, tandis que des atomes dynamiques à faible coordination se sont formés à la surface. Les simulations de dynamique moléculaire ab initio ont confirmé ces observations et ont en outre révélé que la génération d'atomes dynamiques faiblement coordonnés via des espèces or-carbonyle pourrait agir comme des centres actifs dynamiques pour l'oxydation du CO.

Pour les nanoparticules un peu plus grosses (jusqu'à quelques centaines d'atomes), la structure cubique face centrée autrement stable transformée en une structure désordonnée sous CO et O 2 exposition, qui est devenu liquide et a simultanément formé des atomes d'or faiblement coordonnés.

En revanche, les nanoparticules plus grosses ont conservé leur structure tout en subissant des reconstructions de surface localisées.

La réponse structurelle dépendante de la taille au gaz réactif, en particulier la génération d'atomes d'Au faiblement coordonnés dynamiques dans des particules d'or ultra petites, peut effectivement stimuler la réaction grâce à un transport facile du CO vers les sites de réaction, délimitant ainsi une cause fondamentale pour laquelle la petite taille est importante pour la catalyse à l'or et pourquoi les nanoparticules d'or plus grosses ont tendance à devenir inertes.

L'équipe pense que davantage de travail devrait être fait pour explorer comment les nanoparticules d'or se transforment de leur structure ordonnée en une structure désordonnée, et de comprendre si cet effet de taille existe également dans d'autres systèmes catalytiques. Ils recherchent des fonds et des ressources supplémentaires pour soutenir une recherche élargie dans ce domaine.