Une imagerie révèle où agissent les catalyseurs en laboratoire

Pendant des décennies, mesurer un catalyseur revenait à en faire la moyenne. Les mesures classiques moyennent l'activité de nombreuses particules de catalyseur à la fois, ce qui masque les différences locales susceptibles d'expliquer pourquoi un point fonctionne et un autre non. L'équipe du College of Design and Engineering de l'Université nationale de Singapour a mis au point un moyen de voir ces différences. La méthode, baptisée DELINE, suit les événements réactionnels individuels à la surface d'un catalyseur pendant qu'il travaille.

De nombreuses réactions catalytiques n'émettent aucune lumière, elles ne peuvent donc pas être observées au microscope. DELINE contourne ce problème en reliant la réaction étudiée à une réaction consécutive, beaucoup plus rapide, qui produit un signal fluorescent. L'équipe l'a appliquée à de fines plaques d'or pendant la décomposition de l'eau sur le métal : l'eau libère de l'hydrogène, qui peut ensuite former du dihydrogène gazeux, et produit aussi des ions hydroxyde. Une molécule sonde réagit avec ces ions hydroxyde et s'illumine, si bien que chaque point lumineux correspond à un événement. Des expériences de contrôle ont confirmé que la sonde ne modifiait pas l'activité catalytique de l'or. Sur 39 plaques d'or et 195 régions de surface, les bords et les surfaces latérales étaient généralement plus actifs que les larges faces planes, même si l'activité variait aussi au sein de ces faces.

La conclusion centrale porte sur un compromis. En faisant varier la tension appliquée, les chercheurs ont mesuré à quel point la réaction s'accélérait dans chaque région, et ont estimé une vitesse de base à l'équilibre. Les régions les plus sensibles à la tension avaient tendance à présenter une vitesse de base plus faible, un lien que l'équipe appelle compensation cinétique. Des simulations informatiques et des imageries complémentaires ont désigné les ions sodium présents dans le liquide environnant, qui s'accumulaient de façon inégale près de l'or. Cette accumulation modifie les molécules d'eau voisines et rend la réaction plus sensible à la tension, tout en encombrant la surface et en ralentissant la vitesse de base. « Savoir quelles parties d'un catalyseur sont actives n'est que le point de départ », a déclaré Mao Xianwen, maître de conférences à l'origine de la recherche. « DELINE nous permet de zoomer sur ces différences. »

La même méthode a été appliquée à des plaques de cuivre lors de la décomposition de l'eau et de la réduction des nitrates, une réaction qui transforme les nitrates en d'autres composés azotés. Sur le cuivre, les larges faces planes étaient plus actives que les bords, soit l'inverse du schéma observé sur l'or. L'équipe a également utilisé ses cartes de réaction pour modéliser des plaques d'or creuses présentant des rebords de largeurs différentes : élargir le rebord peut augmenter ou diminuer l'activité selon la tension. Pour un producteur d'hydrogène, c'est important lorsque la production doit augmenter. Un catalyseur qui réagit plus fortement à la tension peut n'avoir besoin que d'une hausse de tension plus faible pour accélérer, si bien que sa sensibilité compte autant que son activité de base. Pour les chercheurs, le gain est une manière de choisir des formes de catalyseurs adaptées aux conditions réelles de fonctionnement d'un dispositif, et les chercheurs estiment que l'approche pourrait s'étendre à d'autres électrocatalyseurs et à d'autres réactions. Les travaux menés à ce jour relèvent de la recherche en laboratoire sur des plaques métalliques, et l'étude ne donne aucun calendrier pour une utilisation industrielle.