Des chercheurs révèlent les détails à l'échelle atomique des sites actifs des catalyseurs
Une nouvelle technique du CNSI de l'UCLA pourrait permettre de concevoir des approches optimisant la performance des réactions chimiques
Les industries de la chimie et de l'énergie dépendent des catalyseurs pour conduire les réactions utilisées pour créer leurs produits. De nombreuses réactions importantes utilisent des catalyseurs hétérogènes, ce qui signifie que les catalyseurs se trouvent dans une phase de la matière différente de celle des substances avec lesquelles ils réagissent, comme le platine solide qui réagit avec les gaz dans le convertisseur catalytique d'une automobile.
L'étude, qui fait la couverture de Nature Catalysis en juillet, a été menée par les membres du CNSI Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie, Yu Huang, titulaire de la chaire de science et d'ingénierie des matériaux, et Philippe Sautet, professeur d'ingénierie chimique et biomoléculaire à l'UCLA.
CNSI at UCLA
Les scientifiques ont étudié la surface de cristaux uniques bien définis, mettant en lumière les mécanismes sous-jacents à de nombreuses réactions chimiques. Cependant, il reste encore beaucoup à apprendre. Pour les catalyseurs hétérogènes, leur structure atomique tridimensionnelle, leur composition chimique et la nature de leurs sites actifs, où les réactions ont lieu, sont longtemps restées insaisissables.
Aujourd'hui, des recherches menées par des membres du California NanoSystems Institute de l'UCLA ont permis de déterminer les coordonnées atomiques en 3D, la composition chimique et la composition de la surface des nanocatalyseurs hétérogènes - dont la taille est de l'ordre du milliardième de mètre - utilisés dans les réactions chimiques entraînées par l'électricité.
La technique utilisée par l'équipe pourrait avoir un impact profond sur la compréhension fondamentale des sites actifs des catalyseurs et permettre aux ingénieurs de concevoir rationnellement des nanocatalyseurs de manière à optimiser leurs performances, alors que les méthodes actuelles sont plus proches de l'essai et de l'erreur.
L'étude a été dirigée par les auteurs correspondants et les membres du CNSI Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA College, Yu Huang, Traugott and Dorothea Frederking Endowed Professor et président du département de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA Samueli School of Engineering, et Philippe Sautet, professeur distingué d'ingénierie chimique et biomoléculaire et vice-président de l'enseignement supérieur à l'UCLA Samueli School of Engineering.
En utilisant les avancées qu'elle a développées pour une technique de microscopie appelée tomographie électronique atomique, l'équipe a étudié 11 nanoparticules composées soit d'un alliage platine-nickel seul, soit de cet alliage plus des traces de molybdène, un autre métal qui peut servir de catalyseur. Les chercheurs ont pu mesurer une série de caractéristiques à une résolution atomique, notamment les facettes des nanoparticules, leurs indentations de surface et l'ordre relatif des structures et des composants chimiques des catalyseurs.
Les données de la tomographie électronique atomique ont été intégrées dans des modèles d'intelligence artificielle formés sur la base des principes fondamentaux de la physique et de la chimie. Grâce aux algorithmes, les chercheurs ont identifié les sites actifs où se produit la catalyse. Ces résultats ont ensuite été validés par des mesures réelles.
Les observations des scientifiques ont révélé que l'activité chimique à la surface des sites de platine varie considérablement, de plusieurs ordres de grandeur. L'équipe a procédé à une analyse complète de la relation entre la structure des nanocatalyseurs et l'activité chimique au niveau des atomes individuels afin de formuler une équation fournissant des informations quantitatives sur les sites actifs des nanocatalyseurs.
Bien que cette étude se soit concentrée sur les nanocatalyseurs à base d'alliage de platine dans une réaction électrochimique spécifique, la méthode générale peut être appliquée à une large gamme de nanocatalyseurs pour diverses réactions afin de déterminer les positions 3D locales des atomes, ainsi que la composition élémentaire et superficielle des 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.
Publication originale
"Atomic-scale identification of active sites of oxygen reduction nanocatalysts"; Nature Catalysis 2024.
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