En utilisant un nouveau type de nanoréacteur, chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, ont cartographié les réactions catalytiques sur des nanoparticules métalliques individuelles. Leurs travaux pourraient améliorer les processus chimiques, et conduire à de meilleurs catalyseurs et à une technologie chimique plus respectueuse de l'environnement. Les résultats sont publiés dans la revue Communication Nature .

Les catalyseurs augmentent la vitesse des réactions chimiques. Ils jouent un rôle vital dans de nombreux processus industriels importants, y compris la fabrication de carburants et de médicaments, et limiter les émissions nocives des véhicules. Ce sont également des éléments de base essentiels pour les nouvelles technologies durables telles que les piles à combustible qui génèrent de l'électricité grâce à une réaction entre l'oxygène et l'hydrogène. Les catalyseurs peuvent également contribuer à éliminer les toxines environnementales en nettoyant les produits chimiques toxiques de l'eau, par exemple.

Pour concevoir des catalyseurs plus efficaces pour l'avenir, des connaissances fondamentales sont nécessaires, telles que la compréhension de la catalyse au niveau des particules catalytiques actives individuelles.

Pour visualiser la difficulté de comprendre les réactions catalytiques aujourd'hui, imaginez une foule à un match de football, où de nombreux spectateurs allument des fusées éclairantes. La fumée se propage rapidement, et une fois qu'un nuage de fumée s'est formé au-dessus de la foule, il est presque impossible de dire qui a réellement allumé les fusées éclairantes, ou avec quelle puissance chacun brûle. Les réactions chimiques en catalyse se produisent de manière comparable. Des millions de particules individuelles sont impliquées, et il est actuellement très difficile de suivre et de déterminer les rôles de chacun en particulier, y compris leur efficacité et leur contribution à la réaction.

Il est donc nécessaire d'étudier le processus catalytique au niveau des nanoparticules individuelles. Le nouveau nanoréacteur a permis aux chercheurs de Chalmers de le faire. Le réacteur est constitué d'une cinquantaine de nanotunnels de verre remplis de liquide et disposés en parallèle. Dans chaque tunnel, les chercheurs ont placé une seule nanoparticule d'or. Bien qu'ils soient de taille similaire, chaque nanoparticule a des qualités catalytiques variées - certaines sont très efficaces, d'autres nettement moins optimales. Pour pouvoir discerner comment la taille et la nanostructure influencent la catalyse, les chercheurs ont mesuré la catalyse sur les particules individuellement.

"Nous avons envoyé dans les nanotunnels deux types de molécules qui réagissent entre elles. Un type de molécule est fluorescent et émet de la lumière. La lumière ne s'éteint que lorsqu'elle rencontre un partenaire du second type à la surface des nanoparticules, et une réaction chimique entre les molécules se produit. L'observation de cette extinction de la « lumière au bout du nanotunnel » en aval des nanoparticules nous a permis de suivre et de mesurer l'efficacité de chaque nanoparticule à catalyser la réaction chimique, " dit Sune Levin, doctorant au Département de biologie et biotechnologie de l'Université de technologie Chalmers, et auteur principal de l'article scientifique.

Il a réalisé les expériences sous la direction des professeurs Fredrik Westerlund et Christoph Langhammer. Le nouveau nanoréacteur est le résultat d'une large collaboration entre des chercheurs de plusieurs départements différents de Chalmers.

« Une catalyse efficace est essentielle à la fois pour la synthèse et la décomposition des produits chimiques. Par exemple, les catalyseurs sont nécessaires à la fabrication des plastiques, médicaments et carburants de la meilleure façon, et éliminer efficacement les toxines environnementales, " dit Fredrik Westerlund, Professeur au Département de biologie et biotechnologie de Chalmers.

Développer de meilleurs matériaux catalytiques est nécessaire pour un avenir durable et il y a de grands gains sociaux et économiques à faire.

"Si les nanoparticules catalytiques pouvaient être raffinées de manière optimale, la société pourrait en tirer d'énormes avantages. Dans l'industrie chimique par exemple, rendre certains processus seulement quelques pour cent plus efficaces pourrait se traduire par une augmentation significative des revenus, ainsi que des impacts environnementaux considérablement réduits, " déclare Christoph Langhammer, chef de projet de recherche, Professeur au Département de physique de Chalmers.