Ajout d'informations spectrales à l'imagerie ptychographique de catalyseurs mis en forme – ASTeCa

Nous avons développé une technique appelée imagerie spectrale à rayons X à haute résolution, qui nous permet de voir les détails fins des catalyseurs sans être limités par la taille du faisceau de rayons X. Cela est réalisé en menant une série d'expériences d'imagerie à différents niveaux d'énergie à proximité d'un point d'absorption spécifique des éléments que nous étudions. L'un des avantages de cette méthode, appelée ptychographie, est qu'elle nous fournit le front d'onde de rayons X avant et après leur interaction avec l'échantillon. Cela nous aide à comprendre les interactions complexes, en particulier lorsqu'il s'agit d'échantillons épais, et révèle des informations chimiques essentielles sans endommager les matériaux.

Notre projet comprenait plusieurs domaines clés tels que la création d'une imagerie 3D avancée qui capture des vues détaillées des catalyseurs et le développement d'une méthode pour imager efficacement les catalyseurs près des bords d'absorption d'énergie. Il comprenait également l'amélioration de la méthode de reconstruction d'images d'échantillons de catalyseurs épais et l'application de nos nouvelles techniques d'imagerie à de vrais catalyseurs industriels.

Grâce à ce travail, nous avons réussi à produire des images 3D haute résolution et non destructives qui révèlent les structures internes des catalyseurs. Cette avancée nous permet de suivre l’évolution de ces matériaux au fil du temps, ce qui nous permet de comprendre comment les métaux et les dépôts de carbone affectent leurs performances. Notre produit final est une technologie d’imagerie de pointe qui non seulement montre la disposition physique du catalyseur, mais cartographie également la densité des différents composants et identifie les contaminants. De plus, elle fournit des détails localisés sur les formes et les états d’oxydation des substances qui pourraient nuire à l’efficacité du catalyseur, ce qui nous aide à comprendre comment le carbone se forme et ce qui peut être fait pour l’éviter.

**Développement de l'imagerie ptychographique 3D résonante à haute résolution**

En effectuant une tomographie ptychographique par résonance à deux énergies de photons, des cartes 3D de la diminution de l'indice de réfraction, delta, ont été obtenues à l'énergie du bord K du Ni et à une autre énergie au-dessus du bord. Ces cartes ont permis de détecter des impuretés dans le fil de Ni. Les résultats ont été publiés sur A. Kulow et al. J. Synchrotron Rad. 31, 867–876 (2024).

**Développement de l'imagerie ptychographique à rayons X à structure proche du bord**

À l'aide de la ptychographie spectrale 2D en mode XANES et de la tomographie ptychographique résonante, un échantillon de fil de nickel métallique a été mesuré. À partir des mesures de ptychographie spectrale 2D, les spectres des composantes de l'indice de réfraction à valeurs complexes de l'échantillon, delta et bêta, ont été extraits et intégrés le long de l'épaisseur de l'échantillon. Les résultats ont été publiés sur A. Kulow et al. J. Synchrotron Rad. 31, 867–876 (2024).

**Développement d’un logiciel à source ouverte pour le pipeline d’analyse des données de ptychographie spectrale**

Nous avons développé ProSPyX, un logiciel avec une interface utilisateur graphique pour le traitement des ensembles de données de ptychographie spectrale. Le logiciel facilite l'extraction des informations spectrales d'absorption et de phase à partir d'ensembles de données de ptychographie spectrale. Il enregistre également les spectres dans des formats de fichier compatibles avec d'autres outils logiciels d'analyse de données de spectroscopie d'absorption des rayons X, simplifiant ainsi l'intégration dans les pipelines d'analyse de données spectroscopiques existants. Les résultats ont été publiés sur R. Boudjehem et al. J. Synchrotron Rad. 31, 399–408 (2024).

**Développement d'une méthode de reconstruction 3D pour des échantillons épais de catalyseurs à l’aide des réseaux de neurones GANs suivi d’un post-traitement des données**

La quantité de données qu'on doit acquérir pour la tomographie ptychographique spectrale est trop élevée. À l'aide l'intelligence artificielle, nous avons pu réduire les nombres d'acquisitions nécessaires par un factor 4 sans perte de qualite et pour un facteur 8 avec très peu perte. Cela s'est fait avec l'aide du réseau TomoGAN, un réseau génératif antagoniste. Les résultats ont été publiés sur la thèse de R. Boudjehem et une autre publication est en préparation.

**Applications de la nouvelle méthodologie aux catalyseurs techniques pertinents pour l'industrie de raffinage du pétrole**

Nous avons pu appliquer la nouvelle méthodologie sur des échantillons de catalyseurs extrudés de hydrocraquage en collaboration avec KAUST, en Arabie Saoudite. Nous avons pu identifier leur microstructure et les localizations de Ni, plutot en forme oxydée, ainsi que d'autres contaminants dans leur microstructure. La publication est en préparation.

La validation de la méthode a conduit à son adoption par nos collaborateurs de KAUST en Arabie Saoudite. De plus, d'autres parties intéressées, notamment d'autres chercheurs qui utilisent les differentes sources synchrotron dans le monde, ont manifesté leur intérêt. Nous prévoyons des collaborations potentielles dans un avenir proche. Nous prévoyons que les méthodes développées continueront d'être utilisées par la communauté scientifique.

De plus, les méthodes créées au cours de ce projet sont disponibles pour les utilisateurs de la ligne de lumière SWING du synchrotron SOLEIL. Nous encourageons la communauté à soumettre des propositions de temps de faisceau pour leurs recherches sur cette station expérimentale.

À Grenoble, nous avons été considérés pour un projet ANR Equipex+ PIA visant à rajeunir les lignes de lumière françaises du CRG. Cela comprend la mise en place d'une nouvelle ligne de lumière, FAMEPIX, qui sera dédiée à la ptychographie spectrale 3D, une technique développée au cours du projet ASTeCa. Les résultats obtenus dans ce projet ont jeté les bases de la construction de cette nouvelle ligne de lumière. La conception et la construction de la ligne FAMEPIX ont déjà commencé et nous espérons qu'elle sera ouverte aux utilisateurs d'ici le printemps ou l'été 2026. Notre objectif est de bâtir une communauté solide axée sur la caractérisation d'échantillons de matériaux hétérogènes, qui comprendront non seulement des catalyseurs mis en forme, mais aussi des batteries, des céramiques pour l'industrie du béton et des minéraux importants.

La catalyse est l'une des technologies les plus efficaces et économiques pour contrôler les problèmes de pollution atmosphérique. Les catalyseurs réduisent la pollution en facilitant la conversion d'un polluant nocif en un matériau moins nocif. L'activité de catalyse est également un marché en croissance dans les segments de l'énergie et de l'environnement. Cependant, le problème clé est la disponibilité de catalyseurs mis en forme de haute performance pertinents pour l'industrie. Les catalyseurs mis en forme (catalyseurs techniques) sont des corps multicomposants relativement grands dans lesquels les catalyseurs de recherche, les petits matériaux catalytiques actifs développés en laboratoire, sont répartis dans leur microstructure poreuse. Malgré l'énorme importance dans l'industrie, la compréhension de la structure-propriété-fonction complexe des catalyseurs mis en forme est largement négligée, et le principal objectif de la recherche universitaire reste les catalyseurs de recherche. Cela est principalement dû au secret de l'industrie et aux limitations des techniques de caractérisation de pointe. Pour inverser ce scénario, ASTeCa développera une nouvelle technologie de nanoimagerie hyperspectrale 3D non destructive capable de fournir simultanément la morphologie de la microstructure interne des catalyseurs mis en forme, la distribution de densité massique de chaque composant de l'échantillon et les informations chimiques sur des contaminants ou des additifs dans le structure du catalyseur. Cela sera mis en œuvre sur la base d'une combinaison de ptychographie aux rayons X, de méthodes spectroscopiques et de tomodensitométrie. Les objectifs du projet sont les suivants: développer deux modalités de nanoimagerie hyperspectrale 3D, qui sont (1) l'imagerie ptychographique résonante 3D à haute résolution, et (2) l'imagerie ptychographique à structure proche du bord aux rayons X; (3) mettre en œuvre une méthode innovante de reconstruction 3D pour des échantillons épais de catalyseurs; valider la méthodologie proposée par (4) application aux catalyseurs mis en forme pertinents pour l'industrie. Contrairement aux méthodes XAS classiques ou aux méthodes de microscopie, cette nouvelle technologie nous permettra de corréler pour la première fois l'activité de catalyse et la morphologie du catalyseur technique, à plusieurs échelles de longueur, et de distinguer les différentes régions au sein de l'échantillon. ASTeCa fournira une méthodologie de caractérisation innovante qui aidera à la conception et à l'optimisation de catalyseurs mis en forme pouvant potentiellement résoudre des défis majeurs dans la production d'énergie et la réduction du réchauffement climatique lié à la pollution. Les réalisations escomptées rapprocheront beaucoup plus les développements des laboratoires de l'industrie.