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Avancée notable dans la compréhension de mécanismes catalytiques à l'échelle nanométrique

Octobre 2014

Des travaux conduits par les chercheurs en Catalyse et en Analyse d’IFP Energies nouvelles (IFPEN), en partenariat avec les équipes de l’Institut Néel du CNRS et de l’Université Joseph Fourier à Grenoble, ont permis des avancées notables dans la compréhension de mécanismes catalytiques à l’échelle nanométrique. Ces avancées offrent de nouvelles perspectives pour améliorer les procédés de transformation de la matière dans le cadre de la transition énergétique.
  
Les résultats ont donné lieu à une publication[1] dans la prestigieuse revue Angewandte Chemie. L'article sortira dans une des prochaines éditions de la revue, dans la catégorie VIP (Very Important Paper).

  

De l’intérêt de mieux caractériser les nanoparticules métalliques pour améliorer la performance des catalyseurs

Grâce à leurs propriétés optiques, magnétiques et électroniques, les nanoparticules métalliques supportées jouent un rôle central en nanotechnologies et trouvent de nombreuses applications dans les TIC (technologies de l’Information et de la Communication), en nanoélectronique et stockage de données, dans le domaine des capteurs (détection de molécules), et bien sûr dans celui de la chimie (catalyse). Dans ce dernier cas, les nanoparticules à base de platine seul ou en alliage (avec de l’étain, de l’indium ou encore du rhénium) supportées sur une alumine spéciale (γ-Al2O3) sont largement utilisées pour réaliser des catalyseurs dans les domaines de la chimie fine et de la pétrochimie – procédés d’hydrogénation, de reformage, de conversion de biomasse - ou encore pour le traitement des gaz d'échappement automobile.
      
L’amélioration de ces procédés, qui est un enjeu majeur pour différents pans de la transition énergétique, passe notamment par l'amélioration de la réactivité et de la sélectivité des catalyseurs utilisés. Ces caractéristiques catalytiques sont intimement liées à la géométrie et à la densité électronique locale des particules métalliques, propriétés particulièrement ardues à définir par l'expérience seule, étant donnée la très faible taille des agrégats étudiés (environ 0,8 nm de diamètre).
  
La spectroscopie XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure), utilisant une source de rayonnement synchrotron, est un des outils les mieux adaptés à l’étude de ces systèmes, en particulier in situ, à l'échelle atomique. En effet, les spectres XANES sont influencés par la géométrie locale et la symétrie de l'environnement des atomes (en particulier les angles entre les liaisons), le degré d'oxydation, les types de liaisons mis en jeu et la structure électronique du système. Tous ces facteurs sont néanmoins difficiles à différencier, et même à interpréter. Il est donc impossible de déduire de manière précise la structure des particules métalliques par cette seule technique.

  

Une approche combinée d’observation et de modélisation

C'est dans ce contexte que s'inscrit un travail de thèse en cours à IFPEN[2]. L'originalité de ce travail réside dans l'utilisation de simulations quantiques pour extraire un maximum d’informations des expériences de XANES haute résolution in situ réalisées sur la ligne FAME du synchrotron ESRF à Grenoble.
  
Des modèles structuraux pertinents issus de calculs quantiques, de catalyseurs de reformage catalytique Pt/γ-Al2O3 sous différentes pressions partielles d’hydrogène, ont ainsi été proposés. Les caractéristiques spectrales de chaque modèle ont alors pu être calculées et comparées à l'expérience.
  
In fine, l'association de l'expérience et du calcul a permis d'identifier la morphologie des nanoparticules, leur taux de couverture en hydrogène, et la nature précise des liaisons chimiques qu’elles contractent avec le support alumine.

  

  

La comparaison entre observation et modélisation permet d'accéder aux mécanismes catalytiques à l'échelle nanométrique.

  

Contact presse :
presse@ifpen.fr – Tél. : +33 (0)1 47 52 62 07

[1] A. Gorczyca, V. Moizan, C. Chizallet, O. Proux, W. Del Net, E. Lahera, J.-L. Hazemann, P. Raybaud, Y. Joly, Monitoring morphology and hydrogen coverage of nanometric Pt/γ-Al2O3 particles by in situ HERFD-XANES and quantum simulations, Angew. Chem. Int. Ed. 2014
>> DOI: 10.10010.1002/anie.201403585.

[2] Thèse d'Agnès Gorczyca, dirigée par Yves Joly de l’Institut Néel (Grenoble) et co-encadrée à IFPEN par Céline Chizallet, Pascal Raybaud (Direction Catalyse et Séparation) et Virginie Moizan (Direction Physique et Analyse).


 

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