Un nouvel outil pionnier pour stimuler les progrès de la catalyse
Une méthode analytique automatisée pour accélérer le processus de découverte des catalyseurs à atome unique
Depuis des décennies, les catalyseurs sont des héros méconnus de la vie quotidienne. Ces bêtes de somme transforment un matériau de départ en un produit ou un combustible moins énergivore, comme la levure dans la fabrication du pain et les catalyseurs fabriqués par l'homme pour convertir les matières premières en combustibles de manière plus efficace et plus durable. Une classe prometteuse de ces substances utiles, appelées catalyseurs à atome unique, a vu le jour et les chercheurs ont besoin de nouvelles méthodes pour mieux les comprendre. Plus précisément, ils veulent savoir comment la structure des sites où se produisent les réactions chimiques, appelés sites actifs, influe sur la capacité du catalyseur à accélérer la vitesse de la réaction chimique, appelée activité.
Des chercheurs du Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'énergie ont franchi une étape importante en collaborant avec une équipe de l'université de Californie à Davis (UC Davis) pour mettre au point un nouvel outil logiciel capable de fournir plus de détails quantitatifs sur la structure des sites actifs dans les catalyseurs à atome unique, et ce en beaucoup moins de temps que les méthodes actuelles. Les résultats ont été publiés dans Chemistry-Methods.
Normalement, un catalyseur utilise un support inerte pour stabiliser des amas d'atomes métalliques de taille nanométrique, ou nanoparticules métalliques. Pendant la catalyse, seuls les atomes de surface agissent comme des sites actifs, laissant les atomes à l'intérieur de la nanoparticule inutilisés. Pour maximiser l'utilisation de chaque atome de métal, les chercheurs ont eu une idée prometteuse : les catalyseurs à atome unique, où les atomes de métal sont dispersés sur le support.
Pour concevoir et développer ces catalyseurs, les chercheurs doivent comprendre la structure des sites actifs afin de pouvoir l'associer à l'activité. Pour en savoir plus sur la structure, l'équipe a utilisé des atomes de platine stabilisés sur un support d'oxyde de magnésium comme étude de cas pour des catalyseurs similaires à un seul atome. L'auteur principal de l'étude, Rachita Rana, qui a récemment obtenu son doctorat à l'UC Davis, a utilisé une technique appelée spectroscopie EXAFS (extended X-ray absorption fine structure), qui révèle l'environnement moyen autour de l'atome dans le site actif, tel que le nombre et la distance des atomes voisins. Traditionnellement, avec les données EXAFS, les chercheurs évaluent des dizaines, voire des centaines de structures candidates avant de sélectionner la meilleure. Rana a proposé d'automatiser le processus d'analyse en combinant des calculs théoriques, appelés théorie fonctionnelle de la densité, et l'EXAFS. La première version du logiciel, QuantEXAFS, a déterminé la structure pour un type d'atome, en l'occurrence les atomes de platine.
En réalité, les catalyseurs sont généralement constitués à la fois d'atomes simples et de nanoparticules. En s'appuyant sur QuantEXAFS, Rana a étendu les capacités du code pour déterminer les fractions de ces deux formes, ce qui donne des informations plus spécifiques sur la structure. "MS-QuantEXAFS permet non seulement d'identifier les sites actifs, mais aussi de quantifier le pourcentage d'un site spécifique et d'automatiser l'ensemble du processus d'analyse des données", explique-t-elle. "Si vous faites cela manuellement, cela peut vous prendre quelques jours ou quelques mois. Avec MS-QuantEXAFS, vous pouvez potentiellement effectuer cette analyse en une nuit sur un ordinateur local".
L'équipe aimerait ensuite préparer et diffuser MS QuantEXAFS auprès de la communauté scientifique. "Cet outil a beaucoup à offrir aux chercheurs en catalyse", a déclaré M. Rana. Simon R. Bare, coauteur et chercheur émérite au SSRL, partage cet avis et ajoute qu'ils prévoient également de l'inclure dans les cours de formation, en particulier pour la prochaine génération d'étudiants.
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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