Conception et imagerie de nanoalliages par microscopie électronique avancée pour la catalyse – DINAMIC

Les nanosciences et nanotechnologies sont en plein développement. Leur succès provient d’une capacité sans précédent à fabriquer, manipuler et observer les matériaux à l’échelle nanométrique. L’intérêt pour le « nanomonde » est dû aux propriétés nouvelles des nano-objets, par rapport à leurs équivalents massifs.
La catalyse est impliquée dans la plupart des procédés chimiques industriels, concernant notamment le raffinage, le contrôle de la pollution et la synthèse de produits chimiques. La catalyse hétérogène a toujours fait usage de nanoparticules, afin de maximiser le rapport surface/volume des particules actives. Par conséquent, l’« effet de taille » est un concept connu en catalyse. De plus, la combinaison de métaux au sein d’un catalyseur peut conduire à des performances élevées, par exemple en termes de sélectivité ou de résistance à l’empoisonnement. L’« effet d’alliage » est classiquement attribué à un effet de structure électronique ou de géométrie du site actif. Cependant, ce phénomène est mal maîtrisé, notamment à cause de la difficulté à élaborer des collections de particules multimétalliques de composition homogène et contrôlée, et du manque de caractérisation structurale. Etant donné que la structure des particules pilote leurs propriétés catalytiques, qui sont à leur tour affectées par les conditions réactionnelles, il est important de bien connaître la structure et les mécanismes de modification structurale des particules pour pouvoir envisager un design rationnel des catalyseurs. Cela implique d’importants efforts dans la synthèse et la caractérisation des « nanoalliages ».

Le projet DINAMIC concerne les aspects structuraux de la catalyse par les nanoalliages.
Nous avons sélectionné deux systèmes bimétalliques complémentaires, Pd-Au et Pd-Ir. Pour la thermodynamique des alliages massifs, Pd-Au est une solution solide, alors que Pd-Ir présence une lacune de miscibilité. Tandis que les particules Pd-Au ont été abondamment testées en catalyse, il existe très peu de littérature sur Pd-Ir, une combinaison de métaux d’hydrogénation (Pd) et hydrogénolyse (Ir) pourtant intéressante. Les catalyseurs, supportés sur les oxydes cristallins TiO2 et MgO, seront synthétisés par ablation laser pulsé et par des méthodes colloïdales.
La technique centrale de caractérisation sera la microscopie électronique en transmission corrigée de l’aberration sphérique et la microscopie environnementale. Différentes méthodes seront utilisées pour déterminer la structure électronique, la structure chimique (type d’arrangement : aléatoire, ordonné, cœur-coquille, ségrégé, etc.) et la morphologie 3D des nanoparticules avec une « ultra-haute résolution » (UHRTEM). La microscopie sera complétée par des techniques avancées de caractérisation globale (in situ XAS, in situ XRD, XPS-ISS et CO-FTIR).
Afin d’établir des corrélations entre structure et propriétés catalytiques, une série de tests réactionnels simples seront employés : hydrogénation sélective du buta-1,3-diène, oxydation de CO et ouverture sélective du cycle du méthylcyclohexane.

Dans certains cas, les catalyseurs seront soumis à des traitements thermiques et/ou réactifs avant caractérisation. Notre but est d’accroître nos connaissances de phénomènes induits par les conditions réactionnelles et à l’origine de l’instabilité des catalyseurs : restructuration des particules (modification de taille, ségrégation chimique, etc.), frittage (coalescence des particules), et migration des atomes du support sur les sites actifs des particules (effet SMSI).

Ce projet interdisciplinaire (chimie et physique) implique 3 partenaires académiques (MPQ, IRCELYON, CINaM) et est prévu pour durer 36 mois.