Le comptage des charges électroniques individuelles pourrait améliorer les catalyseurs de nanoparticules

Combien de charges électriques possède une nanoparticule de platine ? Grâce à une technique améliorée d'holographie électronique de haute précision, il est désormais possible de répondre à cette question en comptant directement les charges, jusqu'au niveau d'un seul électron. La technique, développée par des chercheurs de l'Université de Kyushu et Hitachi Ltd au Japon, pourrait aider les scientifiques à créer des catalyseurs plus efficaces.

La suppression d'une ou deux charges négatives d'une nanoparticule peut modifier considérablement son comportement en tant que catalyseur. Pour cette raison, la détermination de l'état de charge des nanoparticules individuelles sur une surface d'oxyde métallique est une tâche importante pour l'ingénierie des catalyseurs, explique le chef d'équipe Yasukazu Murakami, chercheur en matériaux quantiques à Kyushu. Le problème est que les techniques actuelles pour ce faire, telles que la spectroscopie de photoémission de rayons X, ne fournissent que des informations de charge moyennées sur de nombreuses nanoparticules.

Holographie électronique

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont utilisé l'holographie électronique (un type de microscopie électronique à transmission) pour identifier directement le potentiel électrostatique créé par des nanoparticules de platine sur une surface d'oxyde de titane – une combinaison de matériaux fréquemment utilisée comme catalyseur pour accélérer les réactions chimiques. . Dans l'holographie électronique, un électron interagissant avec des champs électriques et magnétiques produit un déphasage dans la fonction d'onde de l'électron qui peut ensuite être identifié en le comparant à un électron de référence qui n'a pas interagi avec un champ.

En mesurant les champs autour des nanoparticules de platine, Murakami et ses collègues ont déterminé le nombre d'électrons "supplémentaires" ou "manquants" qui leur sont associés. Leurs mesures ont montré qu'une nanoparticule pouvait gagner ou perdre entre un et six électrons.

Les chercheurs disent que le mécanisme derrière la charge du platine implique une différence dans les fonctions de travail (l'énergie nécessaire pour retirer complètement un électron d'une surface métallique) du platine et du dioxyde de titane (TiO₂). Cette différence dépend de l'orientation des nanoparticules sur le TiO₂ et la distorsion du réseau cristallin.

Réduction des bruits mécaniques et électriques

Un élément central des réalisations des chercheurs a été une série d'améliorations apportées à un microscope holographique à résolution atomique de 1.2 MV développé et exploité par Hitachi. Cet instrument réduit le bruit mécanique et électrique, puis traite les données pour mieux distinguer le signal du bruit, explique Murakami.

"L'holographie électronique de haute précision pourrait être appliquée à des études de pointe en physique de la matière condensée, en chimie inorganique, y compris la catalyse, les dispositifs spintroniques/semi-conducteurs, les nouveaux types de batteries et d'autres sujets dans lesquels une analyse complète du champ électromagnétique est essentielle", a-t-il déclaré. raconte Monde de la physique.

Dans cette étude, détaillée dans Sciences, les chercheurs ont mesuré la charge sur des nanoparticules individuelles dans le vide. Cependant, à l'avenir, ils espèrent répéter leurs expériences dans un environnement gazeux. "De telles études refléteraient les conditions dans lesquelles les catalyseurs de travail sont employés", déclare Murakami.