Les chercheurs de TU Wien ont révolutionné la compréhension des promoteurs de catalyseurs en observant directement le rôle des atomes de lanthane dans l’amélioration des catalyseurs de nanoparticules de rhodium. Leur étude révèle comment ces promoteurs contrôlent des zones cruciales du catalyseur, ce qui a un impact significatif sur le processus de réaction chimique. Ci-dessus, une image représentant des molécules d’eau et des nanoparticules. Crédit : TU Vienne
Les chercheurs de la TU Wien ont réalisé une percée significative en observant pour la première fois la fonction des promoteurs dans les réactions catalytiques en temps réel. Les promoteurs jouent un rôle important dans la technologie, mais jusqu’à présent, les connaissances sur leur fonctionnement étaient limitées.
Les catalyseurs jouent un rôle essentiel dans de nombreuses technologies chimiques, notamment dans la purification des gaz d’échappement et dans la production de produits chimiques et de vecteurs énergétiques précieux. Souvent, de petites quantités d’autres substances, appelées « promoteurs », sont ajoutées aux catalyseurs pour améliorer leur efficacité. Ces promoteurs, bien que jouant un rôle crucial dans la technologie, sont notoirement difficiles à étudier.
Dans la plupart des cas, déterminer quelle quantité de promoteurs a quels effets sur un catalyseur a été un processus d’essais et d’erreurs. Cependant, des chercheurs de la TU Wien ont réussi à observer directement le rôle des promoteurs du lanthane dans l’oxydation de l’hydrogène. À l’aide de méthodes de microscopie de haute technologie, ils ont visualisé le rôle des atomes La individuels.
Leur étude a révélé que deux surfaces du catalyseur agissent comme des stimulateurs cardiaques, à l’instar des chefs d’orchestre d’un orchestre. Le promoteur joue un rôle essentiel dans leur interaction, en contrôlant les stimulateurs cardiaques. Les résultats de cette étude ont maintenant été publiés dans la revue Communications naturelles.
Regarder la réaction en direct
«De nombreux processus chimiques utilisent des catalyseurs sous forme de minuscules nanoparticules», explique le professeur Günther Rupprechter de l’Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. Bien que les performances des catalyseurs puissent être facilement déterminées grâce à l’analyse des produits, cette approche ne permet pas d’obtenir des informations microscopiques.
Le comportement réactionnel d’une nanoparticule individuelle est déterminé par ses stimulateurs cardiaques. L’ajout d’un promoteur La influence de manière significative l’interaction de ces stimulateurs cardiaques. Crédit : TU Vienne
Cela a changé maintenant. Pendant plusieurs années, Günther Rupprechter et son équipe ont développé des méthodes sophistiquées permettant d’observer directement des nanoparticules individuelles au cours d’une réaction chimique. Cela nous permet de voir comment l’activité change à différents endroits de ces nanoparticules au cours de la réaction.
«Nous utilisons des nanopointes de rhodium qui se comportent comme des nanoparticules», explique Günther Rupprechter. « Ils peuvent servir de catalyseurs, par exemple, lorsque l’hydrogène et l’oxygène se combinent pour former des molécules d’eau – la réaction que nous examinons en détail. »
Oscillant entre « actif » et « inactif »
Ces dernières années, l’équipe de la TU Wien a déjà démontré que différentes régions des surfaces des nanoparticules présentent des comportements différents : elles oscillent entre un état actif et un état inactif. Parfois, la réaction chimique souhaitée se produit à certains endroits, alors qu’à d’autres moments, elle ne se produit pas.
À l’aide de microscopes dédiés, il a été démontré que diverses oscillations de ce type se produisent en parallèle sur chaque nanoparticule et qu’elles s’influencent toutes mutuellement. Certaines régions de la surface des nanoparticules, souvent seulement quelques-unes atome de larges diamètres, jouent un rôle plus important que d’autres : ils agissent comme des « stimulateurs cardiaques » très efficaces, contrôlant même les oscillations chimiques d’autres régions.
Les promoteurs peuvent désormais interférer dans le comportement de ce stimulateur cardiaque, et c’est précisément ce que les méthodes développées à la TU Wien ont permis aux chercheurs d’étudier. Lorsque le rhodium est utilisé comme catalyseur, le lanthane peut servir de promoteur de réactions catalytiques. Des atomes individuels de lanthane ont été placés sur la petite surface d’une nanoparticule de rhodium. La même particule a été étudiée en présence et en absence du promoteur. Cette approche a révélé en détail l’effet spécifique de chaque atome de lanthane sur la progression de la réaction chimique.
Le lanthane change tout
Maximilian Raab, Johannes Zeininger et Carla Weigl ont réalisé les expériences. « La différence est énorme », estime Maximilian Raab. « Un atome de lanthane peut lier l’oxygène, ce qui modifie la dynamique de la réaction catalytique. » L’infime quantité de lanthane modifie le couplage entre les différentes zones de la nanoparticule.
«Le lanthane peut désactiver de manière sélective certains stimulateurs cardiaques», explique Johannes Zeininger. « Imaginez un orchestre avec deux chefs d’orchestre : nous entendrions une musique assez complexe. Le promoteur veille à ce qu’il ne reste qu’un seul stimulateur cardiaque, ce qui rend la situation plus simple et plus ordonnée.
En plus des mesures, l’équipe, soutenue par Alexander Genest et Yuri Suchorski, a développé un modèle mathématique pour simuler le couplage entre les zones individuelles de la nanoparticule. Cette approche offre une manière plus puissante qu’auparavant de décrire la catalyse chimique : non seulement basée sur les entrées et les sorties, mais dans un modèle complexe qui considère comment différentes zones du catalyseur basculent entre activité et inactivité et, contrôlées par des promoteurs, s’influencent mutuellement. .
