Une équipe de recherche dirigée par DESY a utilisé des rayons X à haute intensité pour observer une seule nanoparticule de catalyseur à l'œuvre. L'expérience a révélé pour la première fois comment la composition chimique de la surface d'une nanoparticule individuelle change dans les conditions de réaction, le rendant plus actif. L'équipe dirigée par Andreas Stierle de DESY présente ses résultats dans la revue Avancées scientifiques . Cette étude marque une étape importante vers une meilleure compréhension de la réalité, matériaux catalytiques industriels.

Les catalyseurs sont des matériaux qui favorisent les réactions chimiques sans être eux-mêmes consommés. Aujourd'hui, les catalyseurs sont utilisés dans de nombreux procédés industriels, de la production d'engrais à la fabrication de plastiques. À cause de ce, catalyseurs sont d'une importance économique énorme. Un exemple très connu est le convertisseur catalytique installé dans les systèmes d'échappement des voitures. Ceux-ci contiennent des métaux précieux tels que le platine, rhodium et palladium, qui permettent de transformer le monoxyde de carbone (CO) hautement toxique en dioxyde de carbone (CO 2 ) et réduire la quantité d'oxydes d'azote nocifs (NO X ).

« En dépit de leur utilisation répandue et de leur grande importance, nous ignorons encore de nombreux détails importants sur le fonctionnement des différents catalyseurs, " explique Stierle, responsable du DESY NanoLab. "C'est pourquoi nous avons longtemps voulu étudier de vrais catalyseurs en fonctionnement." Ce n'est pas facile, car pour rendre la surface active la plus grande possible, les catalyseurs sont généralement utilisés sous la forme de minuscules nanoparticules, et les changements qui affectent leur activité se produisent à leur surface.

La déformation de surface est liée à la composition chimique

Dans le cadre du projet européen Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), l'équipe de DESY NanoLab a développé une technique pour marquer des nanoparticules individuelles et ainsi les identifier dans un échantillon. "Pour l'étude, nous avons fait croître des nanoparticules d'un alliage platine-rhodium sur un substrat en laboratoire et marqué une particule spécifique, " précise le co-auteur Thomas Keller de DESY NanoLab et responsable du projet à DESY. " Le diamètre de la particule marquée est d'environ 100 nanomètres, et il est similaire aux particules utilisées dans le convertisseur catalytique d'une voiture. » Un nanomètre est un millionième de millimètre.

En utilisant les rayons X de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron ESRF à Grenoble, La France, l'équipe n'a pas seulement été en mesure de créer une image détaillée de la nanoparticule; il a également mesuré la contrainte mécanique à l'intérieur de sa surface. "La déformation de surface est liée à la composition de la surface, en particulier le rapport des atomes de platine sur les atomes de rhodium, " explique le co-auteur Philipp Pleßow du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), dont le groupe a calculé la déformation en fonction de la composition de la surface. En comparant la déformation dépendant des facettes observée et calculée, des conclusions peuvent être tirées concernant la composition chimique à la surface des particules. Les différentes surfaces d'une nanoparticule sont appelées facettes, tout comme les facettes d'une pierre précieuse taillée.

Lorsque la nanoparticule est cultivée, sa surface est principalement constituée d'atomes de platine, car cette configuration est énergétiquement favorisée. Cependant, les scientifiques ont étudié la forme de la particule et sa déformation de surface dans différentes conditions, y compris les conditions de fonctionnement d'un convertisseur catalytique automobile. Pour faire ça, ils ont chauffé la particule à environ 430 degrés Celsius et ont permis aux molécules de monoxyde de carbone et d'oxygène de la traverser. « Dans ces conditions de réaction, le rhodium à l'intérieur de la particule devient mobile et migre vers la surface car il interagit plus fortement avec l'oxygène que le platine, " explique Pleßow. Ceci est également prédit par la théorie.

"Par conséquent, la déformation de surface et la forme de la particule changent, " rapporte le co-auteur Ivan Vartaniants, de DESY, dont l'équipe a converti les données de diffraction des rayons X en images spatiales tridimensionnelles. « Un enrichissement en rhodium dépendant des facettes a lieu, par laquelle des coins et des bords supplémentaires sont formés." La composition chimique de la surface, et la forme et la taille des particules ont un effet significatif sur leur fonction et leur efficacité. Cependant, les scientifiques commencent tout juste à comprendre exactement comment ceux-ci sont connectés et comment contrôler la structure et la composition des nanoparticules. Les rayons X permettent aux chercheurs de détecter des changements d'aussi peu que 0,1 sur mille dans la souche, ce qui dans cette expérience correspond à une précision d'environ 0,0003 nanomètres (0,3 picomètres).