Une technique avancée de rayons X dévoile les voies de réaction chimique rapide entre le solide et le gaz
Pour la conception rationnelle de nouveaux composés matériels, il est important de comprendre les mécanismes qui sous-tendent leur synthèse. Des techniques analytiques telles que la résonance magnétique nucléaire et la spectroscopie sont généralement utilisées pour étudier ces mécanismes dans les réactions moléculaires. Cependant, les voies de réaction régissant la formation de composés cristallins à l'état solide restent mal comprises. Cela est dû en partie aux températures extrêmes et aux réactions inhomogènes observées dans les composés à l'état solide. De plus, la présence de nombreux atomes dans les composés cristallins solides empêche une analyse précise. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles techniques capables de contourner ces difficultés.
Tokyo Tech
Plus récemment, les techniques de diffraction des rayons X (DRX) synchrotron in situ ont été utilisées pour étudier les réactions se produisant dans les phases cristallines. Grâce à leur vitesse élevée et à leur résolution temporelle, les mesures de XRD synchrotron permettent d'accéder à des données sur les réactions dans des délais extrêmement courts (quelques centaines de millisecondes). Cette technique est donc prometteuse pour la collecte de données relatives à des phases de réaction intermédiaires de courte durée.
Aujourd'hui, un groupe de chercheurs japonais a utilisé cette technique de pointe de XRD synchrotron pour rendre compte des mécanismes topochimiques de réduction solide-gaz dans la pérovskite stratifiée. L'étude a été dirigée par le professeur associé Takafumi Yamamoto de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et publiée dans la revue Advanced Science.
"Nous avons utilisé Sr3Fe2O7-δ, une pérovskite en couches de type Ruddlesden-Popper, en raison de sa capacité à stocker efficacement l'oxygène. Sr3Fe2O7-δ subit des réactions d'oxydoréduction topochimiques réversibles et rapides sous O2 et H2 et présente d'excellentes performances en tant que matériau catalytique environnemental", explique le Dr Yamamoto.
Ses collaborateurs avaient précédemment observé que le dopage de Sr3Fe2O7-δ avec du palladium (Pd) augmentait de manière significative la vitesse de libération de l'oxygène tout en diminuant la température de libération. Sur la base de ces observations, l'équipe a étudié les voies de réaction et l'évolution structurelle de cette pérovskite au cours de la réduction solide-gaz.
L'équipe a commencé par préparer un échantillon vierge et un échantillon de Sr3Fe2O7-δ chargé en Pd. Ils ont ensuite utilisé le XRD synchrotron à grande vitesse pour les surveiller pendant qu'ils subissaient une désintercalation rapide de l'oxygène (réduction).
Les analyses ont révélé que la réduction du Sr3Fe2O7-δ vierge se faisait par l'intermédiaire de phases thermodynamiquement stables, le Sr3Fe2O7-δ vierge subissant une évolution structurelle monophasée progressive au cours de sa réduction. En revanche, la réduction du Sr3Fe2O7-δ chargé en Pd a impliqué des phases intermédiaires non équilibrées, une voie radicalement différente. Il s'est d'abord transformé en une phase dynamiquement désordonnée pendant quelques secondes, puis s'est réarrangé via une transition de premier ordre pour atteindre l'état final ordonné et stable.
En outre, les particules métalliques de Pd sur la surface de Sr3Fe2O7-δ ont considérablement accéléré la réaction de désintercalation de l'oxygène de Sr3Fe2O7-δ chargé de Pd par rapport à celle de Sr3Fe2O7-δ vierge. Le Dr Yamamoto ajoute : "Le changement dans la dynamique de réaction après le chargement de Sr3Fe2O7-δ avec du Pd démontre que le traitement de surface peut être utilisé pour manipuler les processus de réaction dans un matériau cristallin".
En résumé, ces résultats suggèrent que la technique de XRD synchrotron peut être utilisée pour étudier les voies de réaction dans les composés à l'état solide et pour identifier les étapes qui déterminent la vitesse. Cela pourrait permettre d'optimiser la voie de réaction pour la conception rationnelle de matériaux fonctionnels de haute performance.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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