Mercredi l 31-05-2017
Cédric Barroo, lauréat du M&M 2017 Postdoctoral Scholar Award

Tous les ans, la Microscopy Society of America (MSA) et la Microanalysis Society (MAS) attribuent des prix aux contributions exceptionnelles dans le domaine de la microscopie et de la microanalyse. Cette année, elles ont récompensé Cédric Barroo, chercheur au service Chimie Physique des Matériaux et Catalyse (Faculté des Sciences), pour ses travaux postdoctoraux, et en particulier son étude de la réactivité de catalyseurs à base d'alliages par techniques de microscopies à effet de champ, réalisée avec ses collègues.

La contribution récompensée pour les travaux postdoctoraux de Cédric Barroo s'intitule « Field Emission Microscopy to Study the Catalytic Reactivity of Binary Alloys at the Nanoscale », dont les auteurs sont Cédric Barroo, Luc Jacobs, Natalia Gilis, Sten V. Lambeets, Sylwia Owczarek, Yannick De Decker et Thierry Visart de Bocarmé. Les recherches ont été, et sont toujours, effectuées à l'ULB, au sein du service de Chimie Physique des Matériaux et Catalyse. Comme indiqué dans le titre, cette recherche se focalise sur l'étude de la réactivité de catalyseurs à base d'alliages par techniques de microscopies à effet de champ.

La catalyse joue un rôle crucial dans les applications industrielles modernes, l'objectif principal étant d'obtenir une conversion importante et durable, ainsi qu'une sélectivité élevée vis-à-vis des produits souhaités. Dans le cas de la catalyse hétérogène, à savoir une réaction en phase gazeuse qui se déroule sur un catalyseur solide, l'une des façons d'atteindre ces objectifs consiste en la conception de nanoparticules présentant une composition, structure et morphologie spécifique. Cette démarche d'ingénierie de catalyseurs ne peut être efficace que si l'on comprend le comportement du catalyseur en conditions réactionnelles, à savoir comment la réaction se déroule sur des nanoparticules de morphologies différentes, et comment la réaction peut induire des changements structurels au niveau du catalyseur. Une autre façon d'améliorer l'efficacité du processus catalytique repose sur le contrôle de la réaction catalytique elle-même. Pour cela, il est nécessaire d'étudier les dynamiques se déroulant à la surface du catalyseur afin de mieux comprendre le mécanisme réactionnel. De manière générale, afin d'améliorer un processus catalytique, une compréhension fondamentale du comportement catalytique est donc nécessaire.

Ces études fondamentales peuvent s'effectuer par techniques de microscopie et de science des surfaces qui historiquement ont un impact important sur la compréhension des systèmes catalytiques. Ces études sont principalement réalisées pour des réactions se produisant en surface de métaux purs. Cependant, pour les applications industrielles, il existe un intérêt croissant pour l'utilisation de catalyseurs sous forme d'alliage. En effet, la combinaison de deux, ou plusieurs, métaux permet d'obtenir des propriétés catalytiques nouvelles qui n'existent pas lorsque les métaux sont utilisés de manière isolée, ceci grâce à la synergie entre les métaux parents. Une meilleure compréhension de ces systèmes est donc nécessaire. Afin de mener ceci à bien, les techniques d'émission de champ sont utilisées, notamment la microscopie ionique à effet de champ (FIM) et la microscopie électronique à émission de champ (FEM). Ces techniques permettent d'étudier, avec une résolution nanométrique voire atomique, le comportement d'une seule nanoparticule de catalyseur afin de déterminer la structure et la composition des alliages dans leur état catalytiquement actif, mais aussi d'étudier la dynamique des réactions, en temps réel, pendant que la réaction de déroule.

Les deux thématiques d'intérêt qui sont actuellement étudiées au sein du laboratoire et qui ont été récompensés consistent en l'utilisation de catalyseurs Pt-Rh pour la réduction des NOx, qui trouvent leur intérêt dans l'industrie automobile, ainsi que l'oxydation d'alcools en présence de catalyseurs Au-Ag, cette réaction est importante dans la valorisation de molécules organiques simples. Tout d'abord, l'hydrogénation du dioxyde d'azote (NO2) est étudiée sur des catalyseurs Pt-Rh. Les oxydes d'azote sont produits dans les moteurs à combustion interne, et la réaction d'hydrogénation de NO2 est d'une grande importance puisque le monoxyde d'azote NO est d'abord oxydé en NO2 avant d'être réduit au niveau du pot catalytique. Les résultats obtenus prouvent expérimentalement, pour la première fois, la présence de dynamiques non-linéaires sur un catalyseur à base d'alliage à l'échelle du nanomètre. Enfin, les alliages Au-Ag sont utilisés pour des réactions d'oxydation sélective en tant que catalyseurs à double fonctionnalité. Le principe de base est de combiner une petite quantité de métal actif, pour faciliter la formation d'intermédiaires réactifs, avec une phase moins active qui transforme ces intermédiaires en produits désirés, et ce avec une haute sélectivité. La formation de l'oxygène atomique, qui correspond à l'étape clé pour obtenir une activité et sélectivité accrue sur catalyseurs d'or, est ici étudiée grâce à l'interaction du N2O sur des échantillons Au-Ag.

Les techniques de microscopie à effet de champ sont des techniques d'imagerie puissantes qui, en exploitant la résolution nanométrique, permettent de mieux comprendre les systèmes catalytiques au niveau moléculaire. Les expériences sur les alliages Pt-Rh et Au-Ag prouvent que ces techniques peuvent être utilisées pour étudier des systèmes complexes et apportent des résultats originaux sur des sujets de recherche importants dans le domaine de la catalyse.