09.09.2022 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Une nouvelle méthode permet de corréler la microscopie à force atomique avec la fonction des catalyseurs à un seul atome

Des chercheurs étudient l'activité catalytique des atomes de cuivre

Les piles à combustible transforment l'énergie des réactions chimiques en énergie électrique et en chaleur. Elles sont utilisées, par exemple, pour le développement de véhicules électriques, dans l'aviation et l'aéronautique ou pour l'approvisionnement en énergie durable. Lors de la conversion de l'énergie, la réduction catalytique de l'oxygène joue un rôle important. Par conséquent, le développement de catalyseurs efficaces et peu coûteux est extrêmement important. Les chercheurs de l'université de Münster ont maintenant fait des progrès dans le domaine de la recherche sur les catalyseurs à un seul atome. Avec leurs collègues de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces de Potsdam et de l'Université de Paderborn, ils ont mis au point une méthode qui combine directement la caractérisation à l'échelle atomique avec les propriétés électrochimiques dans la réduction de l'oxygène. À l'avenir, cette méthode permettra de concevoir des catalyseurs personnalisés avec une efficacité encore plus élevée. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue ACS Nano.

Contexte et méthodologie

Les catalyseurs conventionnels utilisent souvent des nanoparticules d'or ou de platine coûteuses. En raison du coût élevé de ces métaux nobles, on tente de les remplacer par des matériaux plus économiques et de les utiliser sous la forme de particules toujours plus petites. C'est pourquoi le domaine de recherche des catalyseurs dits à atome unique s'est rapidement développé au cours des dernières années. Dans ce cas, le métal n'est pas présent sous forme de particules mais d'atomes uniques maintenus en place sur une surface. "L'avantage de cette approche repose sur le fait que ces atomes n'ont que très peu de partenaires de liaison, ce que l'on appelle également une faible coordination", explique le Dr Harry Mönig de l'Institut de physique de l'université de Münster. "En conséquence, ils affichent des efficacités catalytiques très élevées, ce qui signifie essentiellement un gain et une sélectivité plus élevés pour une réaction chimique spécifique." Un problème important dans le développement de tels catalyseurs à atome unique est la tendance des atomes uniques à s'agréger et à former des particules, ce qui entraîne un plus grand nombre de partenaires de liaison et, par conséquent, une perte de leur efficacité catalytique.

Pour l'étude, l'équipe de chercheurs a utilisé un réseau hautement ordonné à travers lequel ils ont stabilisé des atomes de cuivre uniques avec une très faible coordination. "À cette fin, explique Mönig, nous avons lié des molécules organiques sur une surface de cuivre pour former un réseau (supramoléculaire) bidimensionnel. En raison d'une interaction extrêmement forte entre la couche organique et le substrat de cuivre, des atomes de cuivre uniques sont extraits du substrat pour "s'accrocher", suspendus de manière flexible entre les unités individuelles du réseau." Dans une étape ultérieure, les chercheurs ont examiné si ces atomes de cuivre présentaient une quelconque activité catalytique. À cette fin, ils ont réalisé diverses expériences électrochimiques et les simulations correspondantes. Cette approche a permis d'établir une corrélation directe entre les propriétés à l'échelle atomique des réseaux et leurs performances catalytiques. L'utilisation de cuivre plus bon marché à la place de l'or ou du platine comme matériau catalytique pourrait signifier un énorme avantage en termes de coûts pour toute application technologique.

En 2018, l'équipe de chercheurs de l'université de Münster dans les laboratoires du Centre de nanotechnologie (CeNTech) a mis au point une nouvelle méthode qui a permis de mieux comprendre les interactions fondamentales entre les molécules. En utilisant la microscopie à force atomique en liaison avec des pointes de sonde définies de manière atomique, les scientifiques peuvent imager les propriétés structurelles et chimiques des molécules organiques avec une résolution ultra-haute. Ils ont maintenant utilisé cette méthode pour examiner les réseaux bidimensionnels avec la plus grande précision au niveau atomique.

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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