30.09.2022 - Technische Universität Wien

Trois yeux voient plus que deux - suivi en temps réel d'une réaction catalytique avec trois microscopies différentes dans exactement les mêmes conditions

Des informations sont obtenues qu'aucune des méthodes seules ne pourrait révéler

Il faut regarder de très près pour comprendre exactement les processus qui se déroulent à la surface des catalyseurs. Les catalyseurs solides sont souvent des matériaux finement structurés, constitués de minuscules cristaux. Il existe différents microscopes pour suivre les processus chimiques sur ces surfaces - ils utilisent, par exemple, la lumière ultraviolette, les rayons X ou les électrons. Mais aucune méthode ne permet à elle seule d'obtenir une image complète.

C'est pourquoi des équipes de recherche de la TU Wien et de l'Institut Fritz Haber de Berlin ont mis au point une nouvelle approche qui permet d'avoir un "triple regard" sur une réaction catalytique - en utilisant trois microscopies de surface différentes. Ils ont ainsi pu montrer que lors de la conversion catalytique de l'hydrogène et de l'oxygène en eau, les fronts de réaction à la surface du cristal ne forment pas seulement des motifs géométriques remarquables, mais qu'un nouveau mécanisme de propagation de ces fronts a également été découvert. Une compréhension approfondie de ces processus est cruciale, en particulier pour les technologies liées au climat, comme la production d'énergie écologiquement propre à base d'hydrogène.

Différentes mesures dans un seul instrument

"De nombreuses questions scientifiques ne peuvent trouver de réponse qu'en combinant différentes méthodes de microscopie sur le même échantillon, ce que l'on appelle la microscopie corrélative", explique le professeur Günther Rupprechter, de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. "Toutefois, cette méthode présente généralement des limites". Il faut retirer un échantillon d'un instrument et réaliser à nouveau la même expérience dans un autre microscope. Souvent, pour des raisons méthodologiques, les conditions expérimentales sont alors complètement différentes - certaines mesures ont lieu dans le vide, d'autres dans l'air. Les températures sont souvent différentes. En outre, il se peut que vous ne regardiez pas le même point de l'échantillon avec des instruments différents - cela peut également influencer les résultats. Il est donc difficile de combiner les résultats de différentes mesures de manière fiable.

Ultraviolet, rayons X et électrons

Aujourd'hui, il a été possible de combiner trois microscopies différentes de manière à ce que le même point sur le même échantillon soit examiné dans les mêmes conditions environnementales. Trois microscopies électroniques différentes ont été utilisées : deux variantes différentes de la microscopie électronique à photoémission (PEEM), à savoir UV-PEEM et X-PEEM, et la microscopie électronique à basse énergie (LEEM).

Dans l'UV-PEEM et le X-PEEM, la surface de l'échantillon est éclairée par de la lumière ultraviolette et des rayons X, respectivement. Dans les deux cas, cela entraîne l'émission d'électrons à partir de la surface. De la même manière que les faisceaux lumineux sont focalisés dans un microscope optique, les faisceaux d'électrons forment une image en temps réel de la surface et des processus qui s'y déroulent. Dans un X-PEEM, on peut en outre filtrer les électrons émis en fonction de leur énergie et déterminer ainsi la composition chimique de la surface de l'échantillon. Le synchrotron de Berlin (HZB BESSY II) a permis à l'équipe de recherche d'accéder aux rayons X de haute énergie et de haute intensité nécessaires. Dans la technique LEEM, la surface est irradiée par un faisceau d'électrons. Les électrons qui sont rétrodiffusés par la surface créent une image en temps réel de la surface de l'échantillon et des processus en cours, comme une réaction catalytique.

Comme les trois microscopies utilisent des mécanismes d'imagerie différents, cela a permis d'étudier différents aspects de l'oxydation catalytique de l'hydrogène sur un site structurellement identique de l'échantillon, explique le professeur Yuri Suchorski, qui s'occupe de microscopie de surface depuis 1974. "En outre, la technique X-PEEM fournit un contraste chimique et nous permet donc de corréler la formation de motifs sur la surface avec la composition chimique de la surface et les réactifs présents sur la surface, d'où le terme de microscopie corrélative."

Observation de l'oxydation de l'hydrogène en eau

Ainsi, il est devenu possible d'étudier l'oxydation de l'hydrogène sur des régions microscopiques structurellement bien définies d'une feuille de rhodium (détermination de la structure par les chercheurs de l'USTEM de la TU Wien) de manière polyvalente et en temps réel.

La réaction se propage sur la surface comme une vague, révélant un nouveau type de formation de motifs qui n'avait jamais été rencontré auparavant. "Devant le front de réaction qui s'étend, de nouveaux îlots de zones catalytiques actives se forment, accélérant la propagation de la réaction", explique le professeur Rupprechter. Dans des simulations informatiques qui permettent une microscopie virtuelle de la réaction, l'équipe a pu modéliser et expliquer la formation de ces îlots.

Grâce à l'approche corrélative, il a été possible d'utiliser efficacement la force spécifique de chacune des méthodes de microscopie respectives (résolution spatiale et énergétique, champ de vision, grossissement jusqu'à l'échelle du nanomètre), et donc d'imager une réaction catalytique en cours avec des détails sans précédent.

L'oxydation de l'hydrogène en eau par des catalyseurs solides est l'un des processus importants qui permettent de produire de l'énergie sans combustion et sans pollution (les gaz d'échappement sont constitués d'eau pure), par exemple dans les piles à combustible. Pour les développements futurs de nouvelles technologies de production d'énergie verte, il sera important d'observer à plusieurs reprises les réactions catalytiques en cours afin d'en comprendre les moindres détails.

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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