Un remaniement atomique ouvre la voie à des catalyseurs record pour la production d'hydrogène

Dans cette étude, l'équipe a créé des particules nanométriques contenant seulement quelques dizaines d'atomes de platine et de nickel et a observé un comportement dynamique inhabituel dans l'espace direct et en temps réel. Lorsque les deux métaux se séparent l'un de l'autre, tout en conservant une interface, ils deviennent très actifs pour la séparation électrochimique de l'eau, ce qui conduit à une évolution efficace de l'hydrogène.

Le projet est dirigé par l'université de Nottingham en collaboration avec l'université de Birmingham, la Diamond Light Source et l'université d'Ulm en Allemagne. L'étude a été publiée aujourd'hui dans Advanced Materials.

Le Dr Jesum Alves Fernandes, de l'école de chimie de l'université de Nottingham, qui a dirigé l'équipe de recherche, a déclaré : "Ce qui rend cette découverte passionnante, c'est que nous pouvons régler de manière réversible la structure de la particule tout en observant directement le processus à l'échelle atomique. Cela ouvre la voie à une nouvelle stratégie de conception de catalyseurs adaptatifs pour un large éventail d'applications".

Lorsqu'on ajoute du lait au café, les deux substances se mélangent sans effort et ne peuvent se séparer spontanément. Ce processus est dicté par la deuxième loi de la thermodynamique, qui régit le comportement des molécules et des atomes, entraînant une augmentation de l'entropie, c'est-à-dire une mesure du désordre.

Le Dr Emerson Kohlrausch, qui a dirigé les travaux expérimentaux à l'école de chimie de l'université de Nottingham, a déclaré : "Au départ, lorsque nous avons examiné les nanoparticules de platine-nickel au microscope électronique, nous avons constaté que les deux types d'atomes étaient mélangés, comme on peut s'y attendre dans un alliage. Cependant, quelques secondes plus tard, les deux métaux ont commencé à se séparer l'un de l'autre sous nos yeux. Cette observation est étonnante, car elle semble aller à l'encontre des comportements thermodynamiques conventionnels.

Pour obtenir une image d'un matériau par microscopie électronique, les atomes doivent interagir avec un faisceau d'électrons rapides, qui peuvent transférer une partie de leur énergie aux atomes de l'échantillon. Cela stimule les atomes à se déplacer dans la particule pour occuper de nouvelles positions, ce qui, dans le cas de l'intermétallique platine-nickel, conduit à la séparation des métaux.

Dès que le nickel est séparé du platine, il absorbe les atomes d'oxygène de l'environnement et forme un oxyde. "Il en résulte des nanoparticules composées de deux moitiés - le métal platine et l'oxyde de nickel - séparées par une interface définie au niveau atomique. Nous créons de nouveaux types de particules hybrides et observons leur formation en temps réel, ce qui est sans précédent", explique Andrei Khlobystov, professeur de nanomatériaux à l'université de Nottingham, qui défend l'utilisation de la microscopie électronique pour l'imagerie des réactions chimiques.

L'équipe a utilisé le faisceau d'électrons à la fois comme outil d'imagerie et comme source d'énergie pour les réactions chimiques dans le passé, démontrant la première observation en temps réel de la rupture et de la formation de liaisons chimiques et de la nucléation de cristaux. Le professeur Ute Kaiser, qui a dirigé le projet SALVE qui a mis au point un microscope unique pour ces expériences à l'université d'Ulm, en Allemagne, a déclaré : "Il est important de créer des conditions dans lesquelles nous pouvons suivre les positions de chaque atome. Pour y parvenir, nous avons utilisé le matériau le plus fin possible pour supporter les nanoparticules - la feuille de graphène - et nous avons soigneusement contrôlé l'énergie et le flux du faisceau d'électrons".

Fait remarquable, les métaux peuvent être mélangés à nouveau si les conditions sont modifiées, formant ainsi un alliage, et le même processus peut être répété plusieurs fois. Le Dr Emerson Kohlrausch a déclaré : "Plutôt que de se comporter comme des objets solides et rigides, les particules semblent se comporter comme des créatures vivantes, réagissant à l'environnement. Cela nous a incités à exploiter leur dynamique pour la catalyse".

Les chercheurs ont étudié les particules de platine-nickel pour la production d'hydrogène par séparation électrochimique de l'eau. Ils ont montré que le processus de séparation des métaux découvert au microscope électronique se produit également dans les conditions de réaction. Le Dr Jesum Alves Fernandes a déclaré : "Ce qui rend ces particules si efficaces, c'est la coopération entre les deux matériaux après la séparation. Le platine et l'oxyde de nickel jouent chacun un rôle différent dans la séparation de l'eau, et le partage d'une frontière atomique leur permet de coopérer de manière optimale".

L'effet de coopération stimule la production d'hydrogène à partir de l'eau, ce qui fait de ce matériau l'un des catalyseurs les plus efficaces pour la séparation de l'eau. Au-delà de la production d'hydrogène, ces résultats pourraient influencer la conception future de catalyseurs pour la conversion énergétique, la fabrication de produits chimiques et les processus industriels durables.