Une étude révèle le rôle du platine dans la conversion de carburant propre – Technoguide

Des scientifiques du Brookhaven National Laboratory du Département américain de l’énergie, de l’Université Stony Brook (SBU) et d’autres institutions collaboratrices ont découvert des détails dynamiques au niveau atomique sur le fonctionnement d’un catalyseur important à base de platine dans la réaction de changement de gaz de l’eau. Cette réaction transforme le monoxyde de carbone (CO) et l’eau (H2O) en dioxyde de carbone (CO2) et en hydrogène gazeux (H2) – une étape importante dans la production et la purification de l’hydrogène pour de multiples applications, y compris l’utilisation comme carburant propre dans les véhicules à pile à combustible. , et dans la production d’hydrocarbures.

Mais comme le platine est rare et cher, les scientifiques ont cherché des moyens de créer des catalyseurs qui utilisent moins de ce métal précieux. Comprendre exactement ce que fait le platine est une étape essentielle.

La nouvelle étude, publiée dans Nature Communications, identifie les atomes impliqués dans le site actif du catalyseur, résolvant les rapports antérieurs contradictoires sur le fonctionnement du catalyseur. Les expériences fournissent des preuves définitives que seuls certains atomes de platine jouent un rôle important dans la conversion chimique.

«Une partie du défi réside dans le fait que le catalyseur lui-même a une structure complexe», a expliqué l’auteur principal Yuanyuan Li, chercheur au département de science des matériaux et de génie chimique de SBU, qui a un rendez-vous dans la division de chimie du Brookhaven Lab et travaille sous la direction de Brookhaven. / Anatoly Frenkel, nommé conjoint du SBU.

“Le catalyseur est constitué de nanoparticules de platine (amas d’atomes de platine) reposant sur une surface d’oxyde de cérium (ceria). Certains de ces atomes de platine se trouvent à la surface de la nanoparticule, certains sont dans le noyau; certains sont à l’interface avec le ceria , et certains d’entre eux sont au périmètre – les bords extérieurs – de cette interface », a déclaré Li. “Ces positions et la façon dont vous placez les particules à la surface peuvent influencer les atomes qui interagiront avec le support ou avec les molécules de gaz, car certains sont exposés et certains ne le sont pas.”

Des expériences antérieures avaient produit des résultats contradictoires quant à savoir si les réactions se produisent sur les nanoparticules ou sur des atomes de platine isolés isolés, et si les sites actifs sont chargés positivement ou négativement ou neutres. Les détails de la façon dont le support de cérine interagit avec le platine pour l’activer pour l’activité catalytique n’étaient pas non plus clairs.

“Nous voulions répondre à ces questions”, a déclaré Li. «Pour identifier le site actif et déterminer ce qui se passe réellement sur ce site, il vaut mieux que nous puissions étudier ce type de catalyseur au niveau atomique», a-t-elle noté.

L’équipe, qui comprenait des scientifiques du Centre pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven et d’autres institutions aux États-Unis et en Suède, a utilisé une gamme de techniques pour y parvenir. Ils ont étudié le catalyseur dans des conditions de réaction et, de manière inattendue, ont capturé un effet particulier qui s’est produit lorsque les catalyseurs ont atteint leur état actif dans des conditions de réaction.

“Les atomes de platine au périmètre des particules” dansaient “dans et hors de la mise au point dans une expérience de microscopie électronique menée par nos collaborateurs, tandis que le reste des atomes étaient beaucoup plus stables”, a déclaré Frenkel. Un tel comportement dynamique n’a pas été observé lorsque certains des réactifs (CO ou eau) ont été éliminés du flux de molécules en réaction.

“Nous avons constaté que seuls les atomes de platine au périmètre de l’interface entre les nanoparticules et le support de céria fournissent l’activité catalytique”, a déclaré Li. «Les propriétés dynamiques de ces sites périphériques permettent au CO d’obtenir de l’oxygène de l’eau afin qu’il puisse devenir du CO2, et l’eau (H2O) perd de l’oxygène pour devenir de l’hydrogène.»

Maintenant que les scientifiques savent quels atomes de platine jouent un rôle actif dans le catalyseur, ils peuvent peut-être concevoir des catalyseurs qui ne contiennent que ces atomes de platine actifs.

“Nous pourrions supposer que tous les atomes de platine de surface fonctionnent, mais ils ne le sont pas”, a déclaré Li. “Nous n’avons pas besoin de tous, juste des actifs. Cela pourrait nous aider à rendre le catalyseur moins cher en supprimant les atomes qui ne sont pas impliqués dans la réaction. Nous pensons que ce mécanisme peut être généralisé à d’autres systèmes et réactions catalytiques, ” elle a ajouté.

Les détails expérimentaux

Des «instantanés» de microscopie électronique au CFN et au National Institute of Standards and Technology ont révélé la nature dynamique des atomes de platine périmétriques. “Dans certaines images, le site périmétrique est là, vous pouvez le voir, mais dans certaines images, il n’est pas là. C’est la preuve que ces atomes sont très dynamiques, avec une grande mobilité”, a déclaré Li.

Des études de spectroscopie infrarouge (IR) dans la division de chimie de Brookhaven ont révélé que l’apparence des sites périphériques coïncidait avec des «lacunes d’oxygène» – une sorte de défaut dans la surface de l’oxyde de cérium. Ces études ont également montré que le CO avait tendance à migrer à travers la surface des nanoparticules de platine vers les atomes du périmètre, et que les groupes hydroxy (OH) s’attardaient sur le support de céria près des atomes de platine du périmètre.

“Il semble donc que les atomes de platine du périmètre réunissent les deux réactifs, CO et OH (des molécules d’eau)”, a déclaré Li.

Les études de spectroscopie photoélectronique aux rayons X en chimie ont révélé que les atomes de platine du périmètre sont également devenus activés – passant d’un état non métallique à un état métallique qui pourrait capturer les atomes d’oxygène des groupes OH et fournir cet oxygène au CO. “Cela montre vraiment que ces périmètres activés les sites de platine permettent à la réaction d’avoir lieu », a déclaré Li.

Une dernière série d’expériences – des études de spectroscopie d’absorption des rayons X menées à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d’Argonne du DOE – a montré les changements structurels dynamiques du catalyseur.

“Nous voyons que la structure change dans des conditions de réaction”, a déclaré Li.

Ces études ont également révélé une liaison inhabituellement longue entre les atomes de platine et l’oxygène sur le support en céramique, suggérant que quelque chose d’invisible aux rayons X occupait l’espace entre les deux.

“Nous pensons qu’il y a de l’hydrogène atomique entre la nanoparticule et le support. Les rayons X ne peuvent pas voir les atomes légers comme l’hydrogène. Dans des conditions de réaction, ces hydrogènes atomiques se recombineront pour former H2”, a-t-elle ajouté.

Les caractéristiques structurelles et les détails sur la manière dont les changements dynamiques sont liés à la réactivité aideront les scientifiques à comprendre le mécanisme de fonctionnement de ce catalyseur particulier et à en concevoir éventuellement des avec une meilleure activité à moindre coût. Les mêmes techniques peuvent également être appliquées à des études d’autres catalyseurs.

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