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Des analyses de catalyseurs réduites de plusieurs mois à une seule nuit

Des analyses de catalyseurs réduites de plusieurs mois à une seule nuit

par La rédaction
13 janvier 2025
en Recherche, Technologie

La compréhension des catalyseurs joue un rôle déterminant dans l’optimisation des processus industriels et quotidiens. Comment peut-on accélérer la découverte de nouvelles substances catalytiques pour un avenir plus durable? Les chercheurs de SLAC ont peut-être trouvé une réponse, en développant une méthode innovante pour explorer les « catalyseurs à atomes uniques ».

Les catalyseurs sont omniprésents, bien que souvent méconnus. Leur rôle consiste à accélérer les réactions chimiques sans être consommés dans le processus. Par exemple, la levure catalyse la fermentation dans la production du pain, tandis que des catalyseurs artificiels transforment des matériaux bruts en carburants avec une efficacité accrue. Les catalyseurs à atomes uniques, une nouvelle classe prometteuse, suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel à maximiser l’utilisation de chaque atome de métal.

Une équipe de chercheurs du Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du Laboratoire national d’accélérateurs SLAC a collaboré avec l’Université de Californie à Davis pour développer un outil logiciel révolutionnaire. Ce logiciel permet d’analyser la structure des sites actifs des catalyseurs à atomes uniques de manière plus rapide et précise.

Traditionnellement, les catalyseurs utilisent un support inerte pour stabiliser des agrégats de métaux, où seuls les atomes de surface agissent comme sites actifs. Cependant, pour optimiser l’utilisation de chaque atome, les catalyseurs à atomes uniques dispersent des atomes individuels sur le support.

Rachita Rana, doctorante de l’Université de Californie à Davis, a mené l’étude en utilisant une technique appelée spectroscopie d’absorption des rayons X à structure fine étendue (EXAFS). Cette méthode fournit des informations sur l’environnement immédiat de l’atome actif, notamment le nombre et la distance des atomes voisins. Auparavant, l’analyse de données EXAFS était longue et laborieuse, nécessitant l’évaluation de multiples structures possibles.

Rana a proposé d’automatiser cette analyse en combinant des calculs théoriques (théorie de la fonctionnelle de la densité) avec les données EXAFS. Leur logiciel, baptisé QuantEXAFS, permettait initialement de déterminer la structure pour un type d’atome, en l’occurrence le platine. Toutefois, les catalyseurs réels contiennent souvent à la fois des atomes uniques et des nanoparticules. Ainsi, Rana a étendu les capacités de QuantEXAFS pour créer MS-QuantEXAFS, qui peut maintenant distinguer et quantifier les fractions de ces deux formes.

“MS-QuantEXAFS ne se contente pas d’identifier les sites actifs, mais quantifie également le pourcentage d’un site spécifique et automatise tout le processus d’analyse des données,” a-t-elle précisé. “Si vous faites cela manuellement, cela peut prendre de quelques jours à plusieurs mois. Avec MS-QuantEXAFS, vous pourriez potentiellement effectuer cette analyse en une nuit sur un ordinateur local.”

L’équipe envisage de rendre MS-QuantEXAFS accessible à la communauté scientifique. “Cet outil a beaucoup à offrir aux chercheurs en catalyse,” a affirmé pour conclure Rana. Simon R. Bare, co-auteur et scientifique distingué au SSRL, souligne également l’importance de cet outil dans les programmes de formation, en particulier pour les futurs étudiants.

Légende illustration : « Des chercheurs du SLAC et de l’université de Californie à Davis ont mis au point un logiciel permettant d’obtenir des informations plus quantitatives sur le site actif d’un catalyseur à atome unique. MS-QuantEXAFS calcule les pourcentages d’atomes de platine et de nanoparticules de platine sur un catalyseur à atome unique, ce qui aide les chercheurs à établir un lien entre la structure et l’activité du catalyseur. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory) »

Article : ‘Quantifying the Site Heterogeneities of Non-Uniform Catalysts Using QuantEXAFS’ / DOI : 10.1002/cmtd.202400020 – DOE/SLAC National Accelerator Laboratory – Publication dans la revue Chemistry – Methods

Source : SLAC

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Tags: analysebio-chimiecatalyseurslogiciel
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For decades, catalysts have been unsung heroes in daily life. These workhorses transform a starting material into a product or fuel with lower energy, like the yeast in bread making and human-made catalysts for converting raw materials into fuels more efficiently and sustainably. A promising class of these helpful substances, called single atom catalysts, has emerged, and researchers need new methods to better understand them. More specifically, they want to know how the structure of the sites where chemical reactions occur, called active sites, affects the catalyst’s ability to speed up the chemical reaction rate, known as the activity. 

In an important step forward, researchers from the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) at the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory collaborated with a team from the University of California, Davis (UC Davis), to develop a new software tool that can provide more quantitative details about the structure of the active sites in single atom catalysts in much less time, compared to current methods. The results were published in Chemistry–Methods.

Normally, a catalyst uses an inert support to stabilize nanometer-sized clusters of metal atoms, or metal nanoparticles. During catalysis, only the surface atoms act as active sites, leaving atoms in the interior of the nanoparticle unused. To maximize the utilization of each metal atom, researchers came up with a promising idea – single atom catalysts, where individual metal atoms are dispersed onto the support. 

In designing and developing these catalysts, researchers need to understand the structure of the active sites so they can relate it to the activity. To learn more about the structure, the team used single platinum atoms stabilized on a magnesium oxide support as a case study for similar single atom catalysts. The study’s lead author Rachita Rana, who recently received her PhD from UC Davis, utilized a technique called extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy, which reveals the average environment around the atom in the active site, such as the number and distance of neighboring atoms. Traditionally, with EXAFS data, researchers evaluate tens to hundreds of candidate structures before selecting the best fit. Instead, Rana proposed automating the analysis process by combining theoretical calculations, called density functional theory, and EXAFS. The first version of the software, QuantEXAFS, determined the structure for one kind of atom, platinum atoms in this case. 

In reality, catalysts usually have both single atoms and nanoparticles. Building upon QuantEXAFS, Rana expanded the capabilities of the code to determine the fractions of these two forms, giving more specific information about the structure. “MS-QuantEXAFS not only helps identify the active sites, but also quantifies the percentage of a specific site and automates the entire data analysis process,” she said. “If you’re doing this manually, it typically could take you anywhere from a few days to months. With MS-QuantEXAFS, you could potentially do this analysis overnight on a local computer.” 

The team would next like to prepare and release MS QuantEXAFS to the scientific community. “This tool has a lot to offer to catalysis researchers,” said Rana. Co-author and Distinguished Scientist at SSRL, Simon R. Bare, agrees, adding that they also plan to include it in training classes, especially for the next generation of students.

The DOE Office of Science supported this research. SSRL is a DOE Office of Science user facility. 

Journal

Chemistry - Methods

DOI

10.1002/cmtd.202400020

Article Title

Quantifying the Site Heterogeneities of Non-Uniform Catalysts Using QuantEXAFS

Article Publication Date

21-Nov-2024

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