Schéma du montage utilisé pour étudier l'oxydation de nanoparticules d'alliages à haute entropie (HEA NP). L'encart montre la structure HEA NP à température ambiante (RT) et pendant l'oxydation à haute température. Crédit :Université de l'Illinois à Chicago.
Un type émergent de nanoparticule d'alliage s'avère plus stable, durable que les nanoparticules à élément unique.
Les catalyseurs font partie intégrante d'innombrables aspects de la société moderne. En accélérant les réactions chimiques importantes, les catalyseurs soutiennent la fabrication industrielle et réduisent les émissions nocives. Ils augmentent également l'efficacité des processus chimiques pour des applications allant des batteries et du transport à la bière et aux détergents à lessive.
Aussi importants que soient les catalyseurs, leur façon de travailler est souvent un mystère pour les scientifiques. Comprendre les processus catalytiques peut aider les scientifiques à développer des catalyseurs plus efficaces et rentables. Dans une étude récente, des scientifiques de l'Université de l'Illinois à Chicago (UIC) et du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont découvert que, lors d'une réaction chimique qui dégrade souvent rapidement les matériaux catalytiques, un certain type de catalyseur affiche une stabilité et une durabilité exceptionnellement élevées.
Les catalyseurs de cette étude sont des nanoparticules d'alliage, ou nanoparticules constituées de multiples éléments métalliques, comme le cobalt, nickel, cuivre et platine. Ces nanoparticules pourraient avoir de multiples applications pratiques, y compris la division de l'eau pour générer de l'hydrogène dans les piles à combustible ; réduction du dioxyde de carbone en le capturant et en le convertissant en matériaux utiles comme le méthanol ; des réactions plus efficaces dans les biocapteurs pour détecter des substances dans le corps ; et des cellules solaires qui produisent de la chaleur, l'électricité et le carburant plus efficacement.
Illustration du mouvement de différentes molécules lors de l'oxydation de nanoparticules d'alliages à haute entropie. Crédit :Université de l'Illinois à Chicago.
Dans cette étude, les scientifiques ont étudié des nanoparticules d'alliage « haute entropie » (très stable). L'équipe de chercheurs, dirigé par Reza Shahbazian-Yassar à l'UIC, utilisé le Centre des matériaux nanométriques (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, caractériser les compositions des particules lors de l'oxydation, un processus qui dégrade le matériau et réduit son utilité dans les réactions catalytiques.
"En utilisant la microscopie électronique à transmission à flux gazeux (MET) au CNM, nous pouvons capturer l'ensemble du processus d'oxydation en temps réel et à très haute résolution, " a déclaré le scientifique Bob Song de l'UIC, un scientifique principal de l'étude. "Nous avons découvert que les nanoparticules d'alliage à haute entropie sont capables de résister à l'oxydation bien mieux que les particules métalliques générales."
Pour effectuer le TEM, les scientifiques ont intégré les nanoparticules dans une membrane en nitrure de silicium et ont fait circuler différents types de gaz à travers un canal au-dessus des particules. Un faisceau d'électrons a sondé les réactions entre les particules et le gaz, révélant le faible taux d'oxydation et la migration de certains métaux - fer, cobalt, nickel et cuivre—à la surface des particules pendant le processus.
"Notre objectif était de comprendre à quelle vitesse les matériaux à haute entropie réagissent avec l'oxygène et comment la chimie des nanoparticules évolue au cours d'une telle réaction, " dit Shahbazian-Yassar, Professeur UIC de génie mécanique et industriel au Collège d'ingénieurs.
