Les nanoparticules présentent un avantage significatif par rapport aux matériaux massifs : leur taille nanométrique augmente considérablement les surfaces de contact pour accroître leur activité et leur sélectivité catalytique. Cela permet de réaliser des procédés chimiques en utilisant moins de réactifs, de réduire la consommation énergétique, et donc de baisser les coûts. Cependant, ces particules étant très complexes, il n’avait pas été possible jusque-là de les caractériser individuellement. Les mesures étant effectuées à partir d’au moins une centaine de nanoparticules, les informations sur les propriétés structurales et les contributions respectives de leurs différents sites catalytiques n’étaient donc connues qu’en moyenne.
Grâce au rayonnement X à très haute résolution du synchrotron de l’ESRF, il est devenu possible de caractériser une nanoparticule de platine unique avec une résolution de quelques nanomètres. Les chercheurs de l’Irig, en collaboration avec le CNRS-LEPMI et l'ESRF, ont ainsi pu déterminer précisément la structure, la forme, la nature de ses facettes ainsi que la distribution de ses déformations,
via le déplacement de ses atomes.
De plus, le faisceau extrêmement brillant de l’ESRF a permis de réaliser ces mesures durant l’activité catalytique de la nanoparticule, en condition électrochimique, ce qui n'avait jamais été fait auparavant dans un milieu liquide. Contrairement à ce qui était admis, ces études ont révélé que la déformation induite par les réactions catalytiques se propage de façon hétérogène dans tout le volume de la nanoparticule de platine et non pas seulement à sa surface, en particulier au niveau des arêtes, des coins et des facettes De fait, la déformation d'une particule est intimement liée à l'activité catalytique.
Plus généralement, la prouesse de réaliser ces mesures
operando permet de comprendre comment améliorer l’efficacité des nanocatalyseurs, utilisés notamment dans les piles à combustible et les électrolyseurs de l'eau.
Les chercheurs complèteront leurs travaux par des études théoriques. L’ensemble des résultats pourrait être appliqué pour synthétiser des catalyseurs en optimisant leur activité, la sélectivité et la durée de vie.
Vue artistique des facettes d'une nanoparticule de platine
(crédit : C.Atlan & C.Chatelier / CEA)