Deux conducteurs d'une réaction chimique
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Pour la première fois, des chercheurs de la TU Wien ont réussi à observer en temps réel le principe de fonctionnement de ce que l'on appelle les promoteurs dans une réaction catalytique. Ces promoteurs jouent un rôle important dans la technologie, mais jusqu'à présent, leur fonctionnement est mal connu.
Molécules d'eau devant la nanoparticule
TU Wien
Le comportement réactionnel d'une nanoparticule individuelle est déterminé par ses pacemakers. L'ajout d'un promoteur La influence de manière significative l'interaction de ces pacemakers.
TU Wien
Les catalyseurs sont essentiels pour de nombreuses technologies chimiques, allant de l'épuration des gaz d'échappement à la production de produits chimiques précieux et de vecteurs énergétiques. Souvent, de minuscules traces de substances supplémentaires sont utilisées à côté des catalyseurs pour les rendre très efficaces. Ces substances sont appelées "promoteurs". Bien qu'elles jouent un rôle crucial dans la technologie, elles sont notoirement difficiles à étudier.
Dans la plupart des cas, déterminer quelle quantité de promoteurs a quels effets sur un catalyseur est un processus d'essais et d'erreurs. Toutefois, des chercheurs de l'université technique de Vienne sont parvenus à observer directement le rôle des promoteurs de lanthane dans l'oxydation de l'hydrogène. En utilisant des méthodes de microscopie de haute technologie, ils ont visualisé le rôle des atomes de La individuels. Leur étude a révélé que deux zones de surface du catalyseur agissent comme des stimulateurs cardiaques, à l'instar des chefs d'orchestre. Le promoteur joue un rôle essentiel dans leur interaction, en contrôlant les pacemakers. Les résultats de cette étude viennent d'être publiés dans la revue "Nature Communications".
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"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 l'Université technique de Vienne. Si l'analyse des produits permet de déterminer facilement les performances des catalyseurs, cette approche ne permet pas d'obtenir des informations microscopiques.
Cette situation vient de changer. Depuis plusieurs années, Günther Rupprechter et son équipe ont mis au point des méthodes sophistiquées qui permettent d'observer directement des nanoparticules individuelles au cours d'une réaction chimique. Il est ainsi possible de voir comment l'activité change à différents endroits de ces nanoparticules au cours de la réaction.
"Nous utilisons des nanotips de rhodium qui se comportent comme des nanoparticules", explique Günther Rupprechter. "Elles peuvent servir de catalyseurs, par exemple, lorsque l'hydrogène et l'oxygène sont combinés pour former des molécules d'eau - la réaction que nous examinons en détail.
Osciller entre "actif" et "inactif
Ces dernières années, l'équipe de la TU Wien a déjà démontré que différentes régions des surfaces de 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 spécialisés, il a été démontré que plusieurs oscillations de ce type se produisent en parallèle sur chaque nanoparticule et qu'elles s'influencent toutes les unes les autres. Certaines régions de la surface des nanoparticules, souvent larges de quelques diamètres d'atomes seulement, jouent un rôle plus important que d'autres : elles agissent comme des "pacemakers" très efficaces, contrôlant même les oscillations chimiques d'autres régions.
Les promoteurs peuvent désormais interférer dans ce comportement de pacemaker, 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 pour les réactions catalytiques. Des atomes de lanthane ont été placés sur la minuscule surface d'une nanoparticule de rhodium. La même particule a été étudiée en présence et en l'absence du promoteur. Cette approche a révélé en détail l'effet spécifique des atomes de lanthane individuels sur le déroulement de la réaction chimique.
Le lanthane change tout
Maximilian Raab, Johannes Zeininger et Carla Weigl ont réalisé les expériences. "La différence est énorme", déclare Maximilian Raab. "Un atome de lanthane peut se lier à l'oxygène, ce qui modifie la dynamique de la réaction catalytique. La quantité infime de lanthane modifie le couplage entre les différentes zones de la nanoparticule.
"Le lanthane peut désactiver sélectivement 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 simplifie la situation et la rend plus ordonnée".
Outre les mesures, l'équipe, soutenue par Alexander Genest et Yuri Suchorski, a développé un modèle mathématique pour simuler le couplage entre les différentes zones de la nanoparticule. Cette approche permet de décrire la catalyse chimique de manière plus puissante qu'auparavant : elle ne se base pas uniquement sur l'entrée et la sortie, mais sur un modèle complexe qui tient compte de la manière dont les différentes zones du catalyseur passent de l'activité à l'inactivité et, sous le contrôle de promoteurs, s'influencent mutuellement.
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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