La microscopie de la catalyse montre clairement pourquoi certains effets ne peuvent pas être prédits

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Les catalyseurs composés de minuscules particules métalliques jouent un rôle important dans de nombreux domaines technologiques, des piles à combustible à la production de carburants synthétiques pour le stockage de l'énergie. Le comportement exact des catalyseurs dépend cependant de nombreux détails fins et leur interaction est souvent difficile à comprendre. Même en préparant deux fois exactement le même catalyseur, il arrive souvent que ces deux éléments diffèrent par des aspects infimes et se comportent donc chimiquement très différemment.

À TU Wien, les scientifiques tentent d'identifier les raisons de ces effets en imaginant les réactions catalytiques se déroulant à divers endroits sur ces catalyseurs, en appliquant plusieurs techniques de microscopie différentes. Une telle approche donne une compréhension fiable et microscopiquement correcte des processus catalytiques.

Ce faisant, il est apparu que même des systèmes catalytiques relativement "simples" étaient plus complexes que prévu. Par exemple, ce ne sont pas seulement la taille des particules métalliques employées ou la nature chimique du matériau support qui définissent les propriétés catalytiques. Même au sein d'une même particule métallique, différents scénarios peuvent prévaloir à l'échelle du micromètre. En combinaison avec des simulations numériques, le comportement de différents catalyseurs pourrait alors être expliqué et correctement prédit.

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"Nous étudions la combustion du futur vecteur d'énergie possible, l'hydrogène, avec de l'oxygène, formant de l'eau pure, en utilisant des particules de rhodium comme catalyseurs", explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. Différents paramètres jouent un rôle important dans ce processus : Quelle est la taille des particules individuelles de rhodium ? À quel support sont-ils liés ? A quelle température et à quelles pressions de réactifs la réaction a-t-elle lieu ?

« Le catalyseur est constitué de particules de rhodium supportées, mais il ne se comporte pas comme un objet uniforme que l'on peut décrire par quelques paramètres simples, comme souvent tenté par le passé », souligne Günther Rupprechter. "Il est vite devenu clair que le comportement catalytique varie fortement à différents endroits du catalyseur. Une zone donnée sur une particule de rhodium donnée peut être catalytiquement active, tandis qu'une autre, à quelques micromètres de distance, peut être catalytiquement inactive. Et quelques minutes plus tard, la situation peut même s'être inversé."

Pour les expériences, le premier auteur de l'étude, qui a été publiée dans la prestigieuse revue ACS Catalysis, le Dr Philipp Winkler, a préparé un superbe échantillon de catalyseur, comprenant neuf catalyseurs différents avec des particules métalliques de tailles différentes et des matériaux de support variés. Dans un appareil dédié, tous les catalyseurs ont donc pu être observés et comparés simultanément dans une seule expérience.

"Avec nos microscopes, nous pouvons déterminer si le catalyseur est catalytiquement actif, sa composition chimique et ses propriétés électroniques - et cela pour chaque point individuel de l'échantillon", explique Philipp Winkler. "En revanche, les méthodes traditionnelles ne mesurent généralement qu'une valeur moyenne pour l'ensemble de l'échantillon. Cependant, comme nous l'avons démontré, cela est souvent de loin insuffisant."

L'analyse chimique à l'échelle microscopique a montré que la composition du catalyseur peut varier localement encore plus que prévu : même au sein des particules métalliques individuelles, de fortes différences ont été observées. "Les atomes du matériau de support peuvent migrer sur ou dans les particules, voire former des alliages de surface", déclare Günther Rupprechter. "À un moment donné, il n'y a même plus de frontière claire, mais plutôt une transition continue entre la particule de catalyseur et le matériau de support. Il est crucial de prendre en compte ce fait, car il affecte également l'activité chimique."

Dans une prochaine étape, l'équipe de TU Wien appliquera les connaissances acquises et les méthodes réussies pour aborder des processus catalytiques encore plus complexes, dans leur mission continue d'expliquer les processus à l'échelle microscopique, de contribuer au développement de catalyseurs améliorés et de recherche de nouveaux catalyseurs.

Référence : Winkler P, Raab M, Zeininger J, et al. Imagerie des effets d'interface et de taille des particules par microscopie corrélative in situ d'une réaction catalytique. ACS Catal. 2023;13(11):7650-7660. doi : 10.1021/acscatal.3c00060

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