Les catalyseurs rendent notre vie moderne possible. En réduisant l'énergie de démarrage nécessaire aux réactions chimiques, ils facilitent la production de carburants, de plastiques et de textiles ainsi que des processus vitaux de traitement de l'eau.
En conséquence, les chercheurs cherchent toujours à concevoir des catalyseurs nouveaux et améliorés – et pour obtenir des conseils, ils se tournent souvent vers des installations de rayons X comme le Stanford Synchrotron Radiation Lightource (SSRL) au Laboratoire national SLAC du ministère de l'Énergie, où ils peuvent mieux comprendre les structures moléculaires des catalystes.
Désormais, en réponse à un boom des utilisateurs de catalyse, les chercheurs ont transformé la ligne de faisceau 10-2 en le premier espace dédié aux études de catalyse à SSRL.
« Nous avons besoin de capacités de classe mondiale pour rester à l'avant-garde de la science des synchrotron en catalyse », a déclaré Simon Bare, scientifique du personnel distingué SLAC et codirecteur de la division SSRL Chemistry & Catalysis. « La nouvelle ligne de faisceau 10-2 fournit exactement cela. »
Co-Access prend en charge une communauté d'utilisateurs croissante
En 2019, les collègues nus et les collègues du Suncat Center for Interface Science and Catalysis – un partenariat entre SLAC et Stanford's School of Engineering – co-accès établi, le consortium pour l'opérande et la caractérisation avancée du catalyseur via la spectroscopie et la structure électroniques.
Le programme est un cadre collaboratif conçu pour aider les utilisateurs de SSRL tout au long de leurs recherches sur la catalyse, de l'idée initiale à la publication de données. L'initiative a stimulé une croissance significative de la communauté des utilisateurs de catalyse de SSRL, passant de six chercheurs principaux à plus de 70 en seulement six ans.
« Cette croissance est le résultat de notre approche de soutien », a déclaré Adam Hoffman, scientifique du personnel du SLAC et scientifique principal sur la ligne de faisceau 10-2. « Nous ne fournissons pas seulement des installations de classe mondiale; nous aidons les chercheurs à toutes les étapes de leur travail, de la rédaction de propositions compétitives pour le temps de faisceau et de les guider tout au long du processus expérimental pour les aider à traiter leurs résultats. »
L'équipe de co-accès partage également son expertise dans les études de catalyse de l'opérande – la recherche qui examine les catalyseurs en action dans des conditions réelles.
« Dans les études d'opérando, nous créons différentes conditions environnementales pour observer leur effet sur le catalyseur », a déclaré Hoffman. « Si je change la composition du gaz dans l'atmosphère, comme l'ajout d'oxygène, cela provoquera-t-il une oxydation au sein de l'échantillon? Si j'augmente la pression, cela change-t-il comment le système se comporte? Et la température? Le matériau change-t-il en réaction à ces changements environnementaux? »
Ces études offrent un aperçu de la structure et du comportement des catalyseurs, aidant les chercheurs à affiner et à optimiser leurs conceptions. Cependant, la manipulation de paramètres tels que l'atmosphère, la pression et la température dans la chambre expérimentale nécessite beaucoup d'équipement. Auparavant, l'équipe de co-accès s'est appuyée sur une configuration de laboratoire portable, qui impliquait à plusieurs reprises de configurer et de démanteler l'équipement lorsqu'ils se déplaçaient entre les lignes de faisceau SSRL disponibles. Avec leur base d'utilisateurs croissants, Co-Access a démontré la nécessité d'une ligne de faisceau entièrement dédiée pour les études de catalyse de l'opérande.
Présentation de la ligne de faisceau 10-2 pour la catalyse
La ligne de faisceau de pointe 10-2 comprend deux stations expérimentales spécialisées: l'une pour les expériences de diffusion, qui révèlent la structure du catalyseur, et une autre pour la spectroscopie, permettant une surveillance en temps réel des réactions catalytiques.
Une caractéristique remarquable de la ligne de faisceau est son monochromateur à balayage rapide de pointe, développé et conçu par Oliver Mueller, ingénieur principal dans la division de chimie et de catalyse de SSRL. « Les monochromateurs sont au cœur de chaque ligne de faisceau », a expliqué Mueller.
« En utilisant une paire de cristaux, un monochromateur diffracte le faisceau de rayons X pour sélectionner des énergies ou des longueurs d'onde spécifiques pour une expérience. En ajustant l'orientation des cristaux, les chercheurs peuvent balayer une plage d'énergie donnée et compiler un spectre complet de données. »
Parce que la stabilité et la précision sont cruciales, ce processus est généralement lent – les monochromateurs traditionnels prennent environ 90 secondes pour collecter chaque spectre, ce qui donne environ 40 spectres par heure. Mais les chercheurs voulaient un outil qui pourrait capturer des changements sur une échelle de temps par seconde, l'échelle de temps sur laquelle les réactions catalytiques se produisent.
« Notre défi était de maintenir la stabilité du système tout en balayant rapidement une gamme d'énergie donnée », a déclaré Mueller. « Notre conception repose sur des mécanismes sans vibration qui sont précis à un millième de degré. »
Le nouveau monochromateur de balayage rapide de la ligne de faisceau utilise un moteur supplémentaire qui berce rapidement à travers divers niveaux d'énergie.
« Avec cette capacité, nous pouvons générer un spectre tous les 50 millisecondes, traduisant par 72 000 spectres par heure, un énorme niveau pour les expériences de catalyse résolue dans le temps », a déclaré Hoffman. Maintenant, les scientifiques peuvent obtenir un jeu précis par le jeu des interactions catalytiques qu'ils étudient.
« En tant que seule installation qui associe un instrument à balayage rapide avec une ligne de faisceau à flux élevé, nous pouvons produire des données de pointe et maintenir une position de leadership dans la recherche sur la catalyse », a déclaré Bare.
Ingénierie derrière la ligne de faisceau
Construit sur une ligne de faisceau existante, la ligne de faisceau 10-2 a nécessité la fusion de nouvelles technologies avec des systèmes datant des décennies. « Le plus grand défi a été l'intégration des nouvelles technologies avec des systèmes plus anciens », a déclaré Ann McGuire, ingénieur en mécanique du SSRL Beamline Design Group. « Nous voulions moderniser cette ligne de faisceau tout en conservant autant de l'infrastructure existante que possible. »
L'équipe d'ingénierie a passé cinq ans à concevoir et à installer des équipements de pointe pour diriger et contrôler le faisceau, atteignant une étape importante lorsque les premières rayons X SSRL ont été livrés aux stations expérimentales en février 2025.
Bien que principalement axé sur la catalyse, la ligne de faisceau 10-2 est également prometteuse pour la recherche sur les batteries à charge rapide. Pendant les processus de charge et de décharge, les métaux des batteries subissent des processus chimiques qui dégradent les batteries de nos téléphones, ordinateurs et véhicules. Les capacités de balayage rapide de la ligne de faisceau aideront les scientifiques à observer ces transformations en temps réel et à concevoir des batteries plus efficaces et résilientes.
« En combinant la diffraction des rayons X et la spectroscopie de numérisation rapide, nous espérons avoir un aperçu des processus structurels et chimiques pendant que nous chargeons et déchargez les batteries », a déclaré Moleigh Prerefer, un scientifique du personnel SLAC intéressé à trouver de nouveaux matériaux pour des matériaux de batterie hautement performants. « Cette ligne de faisceau nous permettra de suivre le rythme des interactions rapides à l'intérieur des batteries à chargement rapide que nous ne pourrions autrement pas résoudre. »
Lorsque le test de la ligne de faisceau est terminé, la co-accès acceptera les propositions de temps de faisceau pour son utilisation inaugurale. « La catalyse est fondamentale pour de nombreux aspects de la vie quotidienne, et une meilleure compréhension de ces matériaux continuera d'améliorer nos vies », a déclaré Hoffman. « Cette installation fournira des informations uniques indisponibles par d'autres moyens. »
