De minuscules particules, de grandes surprises : la complexité inattendue des catalyseurs

Par Université de technologie de Vienne7 juin 2023

Catalyse au microscope. Les chercheurs de TU Wien utilisant des techniques de microscopie avancées ont découvert des complexités complexes dans le comportement des catalyseurs. L'étude a révélé que des facteurs tels que la taille des particules, la nature du matériau de support, la température et les pressions des réactifs jouent un rôle crucial dans l'activité catalytique. La découverte d'importantes variations locales au sein des particules de catalyseur individuelles éclairera les recherches futures sur des processus plus complexes et le développement de catalyseurs améliorés. Crédit : TU Wien

À TU Wien, les scientifiques utilisent des techniques de microscopie pour observer les réactions chimiques sur les catalyseurs avec plus de précision qu'auparavant, ce qui donne une multitude de détails. Cela a permis de comprendre pourquoi certains effets ne peuvent pas être prédits.

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 cependant de nombreux détails fins et leur interaction est souvent difficile à comprendre. Même en préparant exactement le même catalyseur deux fois, il arrive souvent que ces deux diffèrent par des aspects infimes et se comportent donc très différemment chimiquement.

À TU Wien, les scientifiques tentent d'identifier les raisons de ces effets en imaginant les réactions catalytiques se déroulant à divers endroits sur ces catalyseurs, en appliquant plusieurs techniques de microscopie différentes. Une telle approche donne une compréhension fiable et microscopiquement correcte 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 support qui définit les propriétés catalytiques. Même au sein d'une même 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.

Neuf configurations de catalyseur différentes ont été utilisées pour transformer l'hydrogène et l'oxygène en eau. Crédit : TU Wien

"Nous étudions la combustion du futur vecteur d'énergie possible, l'hydrogène, avec de 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 la TU Wien. Différents paramètres jouent un rôle important dans ce processus : Quelle est la taille des particules individuelles de rhodium ? À quel support sont-ils liés ? A quelle température et à quelles pressions de 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 que l'on peut décrire par quelques paramètres simples, comme souvent tenté par le passé », souligne Günther Rupprechter. "Il est vite devenu clair que le comportement catalytique varie fortement à différents endroits du catalyseur. Une zone donnée sur une particule de rhodium donnée peut être catalytiquement active, tandis qu'une autre, à quelques micromètres de distance, peut être catalytiquement inactive. Et quelques minutes plus tard, le la situation peut même s'être inversée."

Pour les expériences, le premier auteur de l'étude, qui a été publiée dans la prestigieuse revue ACS Catalysis, le Dr Philipp Winkler, a préparé un superbe échantillon de catalyseur, 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 donc pu être observés et comparés simultanément dans une seule expérience.

"Avec nos microscopes, nous pouvons déterminer si le catalyseur est catalytiquement actif, sa composition chimique et ses propriétés électroniques - et cela pour chaque point individuel de l'échantillon", explique Philipp Winkler. "En revanche, les méthodes traditionnelles ne mesurent généralement qu'une valeur moyenne pour l'ensemble de l'échantillon. Cependant, comme nous l'avons démontré, cela est souvent de loin insuffisant."

L'analyse chimique à l'échelle microscopique a montré que la composition du catalyseur peut varier localement encore plus que prévu : même au sein des particules métalliques individuelles, de fortes différences ont été observées. "Les atomes du matériau de support peuvent migrer sur ou dans les particules, voire former des alliages de surface", déclare Günther Rupprechter. "À un moment donné, il n'y a même plus de frontière claire, mais plutôt une transition continue entre la particule de catalyseur et le matériau de support. Il est crucial de prendre en compte ce fait, car il affecte également l'activité chimique."

Dans une prochaine étape, l'équipe de TU Wien appliquera les connaissances acquises et les méthodes réussies pour aborder des processus catalytiques encore plus complexes, dans leur mission continue d'expliquer les processus à l'échelle microscopique, de contribuer au développement de catalyseurs améliorés et de recherche de nouveaux catalyseurs.

Référence : "Imaging Interface and Particle Size Effects by In Situ Correlative Microscopy of a Catalytic Reaction" par Philipp Winkler, Maximilian Raab, Johannes Zeininger, Lea M. Rois, Yuri Suchorski, Michael Stöger-Pollach, Matteo Amati, Rahul Parmar, Luca Gregoratti et Günther Rupprechter, 23 mai 2023, ACS Catalysis.DOI : 10.1021/acscatal.3c00060