Pour la première fois, des chercheurs de la TU Wien ont observé avec succès le principe de fonctionnement de ce que l'on appelle les « promoteurs » dans une réaction catalytique en temps réel. Ces promoteurs jouent un rôle important dans la technologie, mais jusqu'à présent, la compréhension de leur fonctionnement est limitée.
Les catalyseurs sont essentiels pour de nombreuses technologies chimiques, allant de la purification des gaz d'échappement à la production de produits chimiques et de vecteurs énergétiques précieux. Souvent, de minuscules traces de substances supplémentaires sont utilisées aux côtés des catalyseurs pour les rendre très efficaces. Ces substances sont appelées « promoteurs ». Bien qu'ils jouent un rôle crucial dans la technologie, ils sont notoirement difficiles à étudier.
Dans la plupart des cas, déterminer quelle quantité de promoteurs a quels effets sur un catalyseur a été un processus d’essais et d’erreurs. Cependant, des chercheurs de la TU Wien ont réussi à observer directement le rôle des promoteurs du lanthane dans l'oxydation de l'hydrogène.
À l’aide de méthodes de microscopie de haute technologie, ils ont visualisé le rôle des atomes La individuels. Leur étude a révélé que deux surfaces du catalyseur agissent comme des stimulateurs cardiaques, à l’instar des chefs d’orchestre d’un orchestre. Le promoteur joue un rôle essentiel dans leur interaction, en contrôlant les stimulateurs cardiaques. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Communications .
"De nombreux processus chimiques utilisent des catalyseurs sous forme de minuscules nanoparticules", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. Bien que les performances des catalyseurs puissent être facilement déterminées grâce à l'analyse des produits, des informations microscopiques ne peuvent pas être obtenues en suivant cette approche.
Cela a changé maintenant. Pendant plusieurs années, Günther Rupprechter et son équipe ont développé des méthodes sophistiquées permettant d'observer directement des nanoparticules individuelles au cours d'une réaction chimique. Cela permet de voir comment l'activité change à différents endroits de ces nanoparticules au cours de la réaction.
"Nous utilisons des nanopointes de rhodium qui se comportent comme des nanoparticules", explique Günther Rupprechter. "Ils peuvent servir de catalyseurs, par exemple, lorsque l'hydrogène et l'oxygène se combinent pour former des molécules d'eau - la réaction que nous examinons en détail."
Ces dernières années, l’équipe de la TU Wien a déjà démontré que différentes régions des surfaces des nanoparticules présentent des comportements différents :elles oscillent entre un état actif et un état inactif. Parfois, la réaction chimique souhaitée se produit à certains endroits, alors qu'à d'autres moments, elle ne se produit pas.
À l’aide de microscopes dédiés, il a été démontré que diverses oscillations de ce type se produisent en parallèle sur chaque nanoparticule et qu’elles s’influencent toutes mutuellement. Certaines régions de la surface des nanoparticules, larges souvent de quelques diamètres d'atomes seulement, jouent un rôle plus important que d'autres :elles agissent comme des « stimulateurs cardiaques » très efficaces, contrôlant même les oscillations chimiques d'autres régions.
Les promoteurs peuvent désormais interférer dans le comportement de ce stimulateur cardiaque, et c'est précisément ce que les méthodes développées à la TU Wien ont permis aux chercheurs d'étudier. Lorsque le rhodium est utilisé comme catalyseur, le lanthane peut servir de promoteur de réactions catalytiques. Des atomes individuels de lanthane ont été placés sur la petite surface d’une nanoparticule de rhodium. La même particule a été étudiée en présence et en absence du promoteur. Cette approche a révélé en détail l'effet spécifique des atomes individuels de lanthane sur la progression de la réaction chimique.
Maximilian Raab, Johannes Zeininger et Carla Weigl ont réalisé les expériences. "La différence est énorme", estime Maximilian Raab. "Un atome de lanthane peut lier l'oxygène, ce qui modifie la dynamique de la réaction catalytique." L'infime quantité de lanthane modifie le couplage entre les différentes zones de la nanoparticule.
"Le lanthane peut désactiver de manière sélective certains stimulateurs cardiaques", explique Johannes Zeininger. "Imaginez un orchestre avec deux chefs d'orchestre :nous entendrions une musique assez complexe. Le promoteur assure qu'il ne reste qu'un seul stimulateur cardiaque, ce qui rend la situation plus simple et plus ordonnée."
En plus des mesures, l'équipe, soutenue par Alexander Genest et Yuri Suchorski, a développé un modèle mathématique pour simuler le couplage entre les zones individuelles de la nanoparticule. Cette approche offre une manière plus puissante qu'auparavant de décrire la catalyse chimique :non seulement sur la base des entrées et des sorties, mais dans un modèle complexe qui considère comment différentes zones du catalyseur basculent entre activité et inactivité et, contrôlées par des promoteurs, s'influencent mutuellement. .
Plus d'informations : Maximilian Raab et al, Stimulateurs cardiaques à réaction modulés par le lanthane sur une seule nanoparticule catalytique, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43026-3
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université de technologie de Vienne
