Des nanoburgers aux défauts prometteurs
Une équipe de DESY découvre des défauts surprenants dans de minuscules particules de métal, qui pourraient stimuler le développement de catalyseurs plus efficaces
Les catalyseurs sont indispensables dans de nombreuses industries : ils accélèrent les réactions chimiques et les rendent économiquement viables. Ils sont souvent constitués de minuscules particules de quelques nanomètres sur lesquelles les molécules se fixent, facilitant ainsi la formation d'une liaison avec un autre réactif. Les catalyseurs eux-mêmes restent inchangés. Une classe de nanocatalyseurs est constituée des métaux précieux platine et rhodium et est utilisée, par exemple, dans la purification des gaz d'échappement, dans la production d'hydrogène et dans les piles à combustible.
Le Nano-Burger en action : les deux "moitiés" du catalyseur platine-rhodium interagissent avec les réactifs dans cette simulation.
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L'équipe dirigée par Andreas Stierle, physicien à DESY, étudie ces catalyseurs à base de platine et de rhodium depuis un certain temps. Cependant, lorsqu'ils ont analysé à nouveau les particules à l'aide de rayons X, ils ont été surpris de constater que certaines des nanoparticules n'étaient pas de minuscules morceaux homogènes, mais se composaient d'une moitié supérieure et d'une moitié inférieure - comme les deux moitiés d'un pain à hamburger. Bien que les deux moitiés soient collées l'une à l'autre, la nature de cette liaison et la manière dont elle affecte les propriétés catalytiques des nanoparticules n'étaient pas claires.
Pour y remédier, l'équipe de M. Stierle a conçu une expérience à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) de Grenoble. Il produit un faisceau de rayons X extrêmement étroit qui peut être utilisé pour étudier des nanoparticules individuelles", explique M. Stierle. Plus précisément, les chercheurs ont utilisé une méthode connue sous le nom d'imagerie par diffraction cohérente de Bragg (BCDI), dans laquelle le faisceau de rayons X crée une figure de diffraction spéciale lorsqu'il traverse la nanoparticule, et celle-ci est enregistrée par un détecteur. Des algorithmes spéciaux peuvent alors être utilisés pour reconstruire la façon dont les atomes sont disposés dans le réseau cristallin et les endroits où ils s'écartent de la structure régulière - distorsions, défauts et dislocations dans le réseau cristallin", explique Ivan Vartanyants, qui a supervisé les reconstructions.
La particularité de cette expérience réside dans le fait que les mesures ont été effectuées alors que les nanocatalyseurs étaient actifs. Le groupe a fait passer un flux de monoxyde de carbone et d'oxygène sur les nanoparticules, à la surface desquelles le gaz a été transformé enCO2 - à des températures de plus de 400 degrés Celsius. Ces expériences ont été extrêmement difficiles : nous devions maintenir les nanoparticules fixées à dix nanomètres près afin que le faisceau de rayons X illumine toujours l'ensemble de la particule", explique Lydia Bachmann, premier auteur de l'étude, qui étudie ce sujet dans le cadre de son doctorat. Pour ce faire, nous avons dû nous assurer que les conditions étaient absolument stables".
Le résultat a été inattendu : les experts ont découvert des défauts cristallins prononcés à l'endroit où les moitiés supérieure et inférieure des nanoburgers se rencontrent. Les deux surfaces limites ne s'emboîtaient pas parfaitement l'une sur l'autre ; des atomes manquaient sur les bords extérieurs. Ces lacunes entraînent le déplacement de tous les atomes environnants, ce qui déforme et déplace considérablement le réseau cristallin.
Ce qui est vraiment remarquable, c'est que ces "défauts" ont un effet extrêmement positif sur les propriétés catalytiques des nanoburgers. Les défauts servent de sites d'absorption uniques pour les molécules", explique Thomas Keller, coauteur de l'étude. Les molécules telles que l'oxygène y adhèrent très bien, ce qui accroît l'efficacité du catalyseur. À l'avenir, ces résultats pourraient aider l'industrie à mettre au point des catalyseurs plus efficaces et plus performants, grâce à une "ingénierie des défauts" délibérée visant à créer autant de sites de liaison que possible sur les nanoparticules, où les molécules peuvent être converties.
L'équipe prévoit de continuer à travailler dans ce sens. Entre autres choses, les scientifiques aimeraient savoir comment les défauts des nanoburgers sont créés en premier lieu. Les particules sont produites à des températures de 1000 degrés Celsius, et nous pensons que les défauts se forment lorsque les particules refroidissent rapidement", explique le chef d'équipe, M. Stierle. Il semble qu'en raison de la petite taille des particules, des contraintes thermiques apparaissent en leur sein, ce qui perturbe l'ordre d'empilement des couches cristallines. Si ce processus était compris en détail, il serait possible d'optimiser le processus de fabrication afin de créer des défauts cristallins spécifiques particulièrement efficaces pour augmenter l'effet catalytique des nanoparticules.
Dans quelques années, les expériences menées à la source de rayons X PETRA IV prévue par DESY pourraient y contribuer. Le successeur de l'anneau PETRA III actuel produira des rayons X beaucoup plus fins et plus étroitement focalisés que ceux de l'ESRF. Il sera ainsi possible d'étudier des nanoparticules beaucoup plus petites qu'auparavant. Les nanoburgers que nous avons examinés à Grenoble avaient une taille d'environ 100 nanomètres", explique M. Stierle. Les particules catalytiques utilisées aujourd'hui dans l'industrie ne mesurent généralement que 10 à 20 nanomètres. PETRA IV nous permettrait à l'avenir d'analyser ces particules plus pertinentes sur le plan industriel et de les observer en action en temps réel.
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Publication originale
Lydia J. Bachmann, Dmitry Lapkin, Jan-Christian Schober, Daniel Silvan Dolling, Young Yong Kim, Dameli Assalauova, Nastasia Mukharamova, Jagrati Dwivedi, Tobias U. Schulli, Thomas F. Keller, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle; "Coherent X-ray Diffraction Imaging of a Twinned PtRh Catalyst Nanoparticle under Operando Conditions"; ACS Nano, 2025-6-25
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