De nouvelles approches des réactions chimiques grâce aux nanotechnologies

Des scientifiques suisses ont mis au point une nouvelle méthode qui facilite la recherche et l’optimisation de procédés de catalyses dans l’industrie chimique: Nous avons trouvé un moyen de construire des systèmes modèles – c’est-à-dire des dispositifs expérimentaux – catalytiques avec une précision de l’ordre du nanomètre et réussi ensuite à suivre les réactions de chaque nanoparticule, explique Waiz Karim, qui travaille au Laboratoire de micro et nanotechnologie au PSI et à l’Institut de chimie et de bioingénierie à l’ETH Zurich. Cette méthode permet d’optimiser l’efficacité des procédés de catalyse de manière ciblée.

La catalyse est un processus chimique fondamental. Son principe: la réaction de certaines substances est initiée ou accélérée par la présence d’un catalyseur. Le procédé joue un rôle important dans la fabrication des matières plastiques, des acides et d’autres produits chimiques, mais aussi dans l’épuration des gaz d’échappement et le stockage d’énergie (voir encadré Contexte). De fait, l’industrie a un intérêt majeur à optimiser ses procédés de catalyse. Pour y arriver, il faut comprendre en détail ce qui se passe au niveau moléculaire, explique Jeroen van Bokhoven, directeur du Laboratoire de catalyse et de chimie durable au PSI et professeur de catalyse hétérogène à l’ETH Zurich, qui a dirigé l’étude.

Précision inégalée du projet pilote

La nouvelle approche est susceptible de fournir ces détails nécessaires à une meilleure compréhension. Les chercheurs ont en effet construit un système modèle qui permet d’analyser la catalyse jusque dans les moindres détails. Les essais ont été principalement conduits au PSI et les base théoriques élaborées à l’ETH Zurich. Pour le projet pilote, l’équipe emmenée par Waiz Karim, Yasin Ekinci et Jeroen van Bokhoven a utilisé de l’oxyde de fer: le recours à du platine comme catalyseur permet de transformer cet oxyde en fer par ajout d’hydrogène. Le platine sépare en effet le dihydrogène (H2) en monohydrogène (H); le monohydrogène peut alors plus facilement réagir avec l’oxyde de fer.

Le point fort du modèle des chercheurs: le recours à la lithographie ultra-moderne par faisceau d’électrons – surtout utilisée dans la technique des semi-conducteurs –, grâce à laquelle ils ont réussi à appliquer de minuscules particules composées seulement de quelques atomes sur un matériau de support. Les particules d’oxyde de fer mesuraient seulement 60 nanomètres et la particule de platine seulement 30 nanomètres, ce qui correspond à environ deux millièmes du diamètre d’un cheveu humain. Les chercheurs ont placé ces grains par paires dans un modèle en forme de grille, à 15 distances différentes les uns des autres: dans le premier segment de la grille, le platine était situé précisément sur l’oxyde de fer, alors que dans le quinzième segment, les particules étaient séparées l’une de l’autre par une distance de 45 nanomètres. Dans un seizième segment, l’oxyde de fer était tout seul. Nous avons donc pu tester 16 situations différente, tout en déterminant la taille et la distance des particules au nanomètre près, explique Waiz Karim. Puis les chercheurs ont vaporisé le modèle avec de l’hydrogène et regardé ce qui se passait.

Pour mener cette observation à l’échelle moléculaire, l’équipe a recouru à un procédé appelé spectromicroscopie de particules individuelles, qu’elle avait développé dans le cadre d’un projet antérieur pour effectuer un examen microscopique de minuscules grains de ce genre au moyen de faisceaux de rayons X. La Source de Lumière Suisse SLS du PSI, une grande installation de recherche qui produit de la lumière de type rayons X de haute qualité, offre les instruments nécessaires à cette méthode. Autrement dit, la précision du placement des particules n’est pas la seule nouveauté: il y a aussi la précision de l’observation des réactions chimiques, qui était impossible à réaliser auparavant – sans compter que l’observation portait simultanément sur un grand nombre de particules dans différentes situations: Dans les études menées jusqu’ici, le placement de nanoparticules pouvait présenter des écarts allant jusqu’à 30 nanomètres, relève Waiz Karim.

Inondation d’hydrogène

Or il s’est avéré que, même dans des dimensions aussi petites, certains phénomènes chimiques étaient à l’œuvre. A l’instar de l’effet d’épandage (ou spillover) d’hydrogène que les chercheurs du PSI et de l’ETH ont étudié avec leur nouveau modèle.

Cet effet contribue de manière décisive à l’efficacité d’une catalyse avec de l’hydrogène. Il a été découvert en 1964 déjà, mais jusqu’à présent, on n’avait pas réussi à le comprendre et à le visualiser en détail. De fait, les conditions de son apparition effective restaient sujettes à controverse.

L’équipe emmenée par Waiz Karim, Yasin Ekinci et Jeroen van Bokhoven a réussi pour la première fois à analyser cet effet avec la précision nécessaire: les molécules d’hydrogène se séparent lorsqu’elles percutent la particule de platine et s’écoulent sur les côtés sous forme de monohydrogène. Puis cet hydrogène se répand tout autour comme de l’eau qui s’écoule d’une source. Les atomes d’hydrogène rencontrent alors l’oxyde de fer et le réduisent, comme disent les scientifiques, pour le transformer en fer. Nous avons pu démontrer que la distance sur laquelle l’hydrogène s’écoulait dépendait du matériau de support, détaille Waiz Karim. Plus l’hydrogène s’écoule loin, plus l’effet spillover peut contribuer à la catalyse. Avec un support en oxyde d’aluminium (oxyde irréductible), par exemple, l’hydrogène ne va pas au-delà de 15 nanomètres. En revanche, dans le cas de l’oxyde de titane (oxyde réductible), l’hydrogène s’écoule sur toute la surface. Pour certains matériaux de support, la densité des particules qu’ils portent à leur surface représente donc un facteur important, conclut le scientifique.

Enorme avancée pour la chimie en tant que science

Avec leur nouveau procédé de nanotechnologie, les chercheurs du PSI et de l’ETH Zurich ont donc clarifié les conditions de l’effet spillover de l’hydrogène. Notre procédé est fondé sur trois piliers, résume Jeroen van Bokhoven. La nanofabrication du système modèle, la mesure précise des réactions chimiques et la modélisation théorique: nous avons décrit le processus jusqu’au niveau moléculaire, conformément à nos expériences. Dans l’ensemble, leur méthode devrait faire énormément avancer la chimie en tant que science: Avec elle, nous ouvrons une toute nouvelle dimension pour étudier et comprendre la catalyse, conclut le chercheur. Et ces connaissances permettront ensuite d’améliorer les procédés de fabrication de manière beaucoup plus ciblée.

Text: Jan Berndorff

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(Mise à jour: mai 2016)