Plus complexe que prévu : La catalyse au microscope
L'analyse chimique à l'échelle microscopique a montré que la composition du catalyseur peut varier localement encore plus que prévu
À la TU Wien (Vienne), les scientifiques utilisent des techniques de microscopie pour observer les réactions chimiques sur les catalyseurs avec plus de précision qu'auparavant, ce qui permet d'obtenir une multitude de détails. Ils ont ainsi pu comprendre pourquoi certains effets ne peuvent être prédits.
La catalyse au microscope
TU Wien
Neuf configurations différentes de catalyseurs ont été utilisées pour transformer l'hydrogène et l'oxygène en eau.
TU Wien
Les catalyseurs composés de minuscules particules métalliques jouent un rôle important dans de nombreux domaines technologiques - des piles à combustible à la production de carburants synthétiques pour le stockage de l'énergie. Le comportement exact des catalyseurs dépend toutefois de nombreux détails fins et leur interaction est souvent difficile à comprendre. Même en préparant deux fois exactement le même catalyseur, il arrive souvent que ces deux catalyseurs diffèrent sur des aspects infimes et se comportent donc très différemment sur le plan chimique.
À la TU Wien, les scientifiques tentent d'identifier les raisons de ces effets en visualisant les réactions catalytiques qui se déroulent à différents endroits de ces catalyseurs, en appliquant plusieurs techniques de microscopie différentes. Cette approche permet d'obtenir une compréhension fiable et microscopique des processus catalytiques.
Ce faisant, il est apparu que même des systèmes catalytiques relativement "simples" étaient plus complexes que prévu. Par exemple, ce n'est pas seulement la taille des particules métalliques employées ou la nature chimique du matériau de support qui définissent les propriétés catalytiques. Même au sein d'une seule particule métallique, différents scénarios peuvent prévaloir à l'échelle du micromètre. En combinaison avec des simulations numériques, le comportement de différents catalyseurs pourrait alors être expliqué et correctement prédit.
Toutes les particules ne sont pas identiques
"Nous étudions la combustion du futur vecteur énergétique possible qu'est l'hydrogène avec l'oxygène, formant de l'eau pure, en utilisant des particules de rhodium comme catalyseurs", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de l'Université technique de Vienne (TU Wien). Plusieurs paramètres jouent un rôle important dans ce processus : Quelle est la taille des particules de rhodium ? À quel matériau de support se lient-elles ? À quelle température et à quelle pression des réactifs la réaction a-t-elle lieu ?
"Le catalyseur est constitué de particules de rhodium supportées, mais il ne se comporte pas comme un objet uniforme pouvant être décrit par quelques paramètres simples, comme cela a souvent été tenté par le passé", souligne Günther Rupprechter. "Il est rapidement devenu évident que le comportement catalytique varie fortement en fonction de l'emplacement du catalyseur. Une zone donnée d'une particule de rhodium peut être catalytiquement active, alors qu'une autre, située à quelques micromètres, peut être catalytiquement inactive. Et quelques minutes plus tard, la situation peut même s'être inversée".
Neuf catalyseurs d'un seul coup
Pour les expériences, le premier auteur de l'étude, qui a été publiée dans la revue ACS Catalysis, le Dr Philipp Winkler, a préparé un échantillon de catalyseur étonnant, comprenant neuf catalyseurs différents avec des particules métalliques de tailles différentes et des matériaux de support variés. Dans un appareil dédié, tous les catalyseurs ont ainsi pu être observés et comparés simultanément au cours d'une seule expérience.
"Avec nos microscopes, nous pouvons déterminer si le catalyseur est actif, sa composition chimique et ses propriétés électroniques, et ce pour chaque point de l'échantillon", explique Philipp Winkler. "En revanche, les méthodes traditionnelles se contentent généralement de mesurer une valeur moyenne pour l'ensemble de l'échantillon. Or, comme nous l'avons démontré, cette méthode est souvent loin d'être suffisante."
Encore plus complexe que prévu
L'analyse chimique à l'échelle microscopique a montré que la composition du catalyseur peut varier localement encore plus que prévu : De fortes différences ont été observées au sein même des particules métalliques individuelles. "Les atomes du matériau de support peuvent migrer sur ou dans les particules, ou même former des alliages de surface", explique Günther Rupprechter. "À un moment donné, il n'y a même plus de frontière nette, mais plutôt une transition continue entre la particule de catalyseur et le matériau de support. Il est essentiel de tenir compte de ce fait, car il affecte également l'activité chimique".
Dans une prochaine étape, l'équipe de la TU Wien appliquera les connaissances acquises et les méthodes réussies à des processus catalytiques encore plus complexes, dans le cadre de sa mission permanente visant à expliquer les processus à l'échelle microscopique, à contribuer au développement de catalyseurs améliorés et à rechercher de nouveaux catalyseurs.
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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