Gleichzeitig vergiftet und sehr lebendig

Parfois, les réactions chimiques en laboratoire fonctionnent comme prévu, et parfois non. Les deux ne sont pas rares. Cependant, ce qu’une équipe de recherche de l’Université de technologie de Vienne a observé lors de l’étude de l’oxydation de l’hydrogène sur un catalyseur au rhodium est extrêmement inhabituel : la surface d’une feuille de rhodium peut être chimiquement très active à certains endroits et seulement quelques micromètres à d’autres, mais complètement inactif, et sur d’autres il y a un changement oscillant entre l’état actif et l’état inactif. Un tel comportement était auparavant considéré comme inimaginable. Les résultats, qui viennent d’être publiés dans la revue “Nature Communications”, montrent que la catalyse est plus compliquée qu’on ne le pensait auparavant.

Principe de base de la pile à combustible

“L’hydrogène peut être oxydé à l’aide de catalyseurs tels que le rhodium métallique – c’est la réaction décisive dans les piles à combustible, le seul “gaz d’échappement” produit est l’eau”, explique le professeur Yuri Suchorski de l’Institut de chimie des matériaux de l’Université de Vienne. Université de Technologie. Les molécules d’hydrogène sont maintenues à la surface du rhodium et décomposées en atomes individuels, qui se combinent ensuite avec l’oxygène pour former de l’eau.

Cependant, il peut arriver qu’une couche d’oxygène se dépose à la surface du rhodium, de sorte que l’hydrogène ne puisse plus atteindre les atomes de rhodium. “Dans ce cas, on dit que la surface du catalyseur est empoisonnée”, explique le professeur Günther Rupprechter, responsable du projet de recherche. “Le catalyseur ne peut plus remplir sa fonction, la réaction s’arrête.”

Que le catalyseur fasse son travail ou qu’il soit empoisonné dépend de paramètres externes tels que la pression des réactifs et la température. Mais la feuille de rhodium montre un comportement étrange dans l’expérience : bien que toutes les zones de la surface soient exposées aux mêmes conditions extérieures, il peut encore arriver que certaines zones de la surface soient catalytiquement actives, d’autres soient empoisonnées et complètement inactives, et d’autres encore changer à différentes fréquences dans les deux sens entre un état actif et un état inactif. “Cela semble si inhabituel que nous n’aurions pas pu imaginer qu’une telle chose était possible”, déclare Philipp Winkler, le premier auteur de l’étude.

Des investigations plus détaillées, que l’équipe de l’Université de technologie de Vienne a menées au synchrotron Elettra de Trieste avec des collègues italiens, ont pu expliquer les observations : La surface de rhodium polycristallin est composée de différents grains disposés selon des angles différents. Cela signifie que la disposition des atomes sur la surface diffère d’un granule à l’autre.

“La dynamique de la réaction chimique dépend de manière étonnamment sensible de l’orientation des grains et donc de la structure atomique de la surface”, explique Yuri Suchorski. “Les différences entre les propriétés catalytiques des structures individuelles du même métal sont beaucoup plus importantes dans le cas du rhodium que prévu, et il est donc possible que différents grains se comportent complètement différemment au même moment et dans les mêmes conditions. Le comportement oscillant est particulièrement intéressant.

lapins et renards

Des processus similaires sont également connus dans des domaines scientifiques complètement différents – par exemple à partir de modèles prédateur-proie : si de nombreux lapins naissent, les renards ont beaucoup à manger, puis des renards plus affamés naissent l’année suivante et le nombre de lapins diminue : juste comme chez les lapins et les renards, l’interaction de l’hydrogène et de l’oxygène est un système qui est en équilibre dynamique ou qui peut osciller entre différents états. Même si la densité de lapins et de renards est initialement la même partout, il se peut qu’il y ait des évolutions très différentes dans le temps selon les endroits – par exemple parce que les lapins peuvent mieux se cacher des renards à certains endroits qu’ailleurs. De même, différentes dynamiques chimiques apparaissent sur différents grains de la surface du rhodium.

Ces résultats fournissent un aperçu important qui est d’une grande importance pour la recherche sur la catalyse dans son ensemble : il ne suffit pas de décrire un catalyseur globalement, il faut considérer sa microstructure locale et supposer qu’il peut montrer un comportement très différent à différents points. “Nous supposons que de tels effets sont importants pour de nombreux catalyseurs et réactions différents”, déclare Günther Rupprechter. “En tout cas, il reste encore beaucoup à faire dans ce domaine de recherche.”

Leave a Comment