{"id":4376,"date":"2021-06-21T10:00:41","date_gmt":"2021-06-21T08:00:41","guid":{"rendered":"https:\/\/www.umweltperspektiven.ch\/?p=4376"},"modified":"2021-06-21T10:00:41","modified_gmt":"2021-06-21T08:00:41","slug":"wie-katalysatoren-altern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.organisator.ch\/fr\/allgemein\/2021-06-21\/wie-katalysatoren-altern\/","title":{"rendered":"Comment les catalyseurs vieillissent"},"content":{"rendered":"
\"Catalyseur\"
Zirui Gao, chercheur au PSI, a d\u00e9velopp\u00e9 pour des \u00e9tudes exp\u00e9rimentales un nouvel algorithme qui r\u00e9duit consid\u00e9rablement la dur\u00e9e de certaines mesures qui seraient autrement trop longues. Les chercheurs ont ainsi \u00e9tudi\u00e9 \u00e0 l'\u00e9chelle nanom\u00e9trique les processus de vieillissement dans un mat\u00e9riau catalytique tr\u00e8s utilis\u00e9. Photo : Markus Fischer \/ PSI<\/figcaption><\/figure>\n

Le groupe de mat\u00e9riaux des oxydes de vanadium et de phosphore (VPO) est largement utilis\u00e9 comme catalyseur dans l'industrie chimique. Depuis les ann\u00e9es 1970, les VPO sont utilis\u00e9s dans la production d'anhydride mal\u00e9ique, qui est \u00e0 son tour un mat\u00e9riau de base pour la fabrication de certains types de plastique, dont un nombre croissant de plastiques biod\u00e9gradables. Dans l'industrie, les mat\u00e9riaux de catalyse sont utilis\u00e9s pendant plusieurs ann\u00e9es, car ils jouent un r\u00f4le important dans le d\u00e9roulement des r\u00e9actions chimiques, mais ne sont pas consomm\u00e9s. N\u00e9anmoins, le catalyseur VPO se modifie au fil du temps en raison de cette utilisation.<\/p>\n

Des chercheurs de deux unit\u00e9s de l'Institut Paul Scherrer (PSI) - le domaine de recherche sur les photons et celui sur l'\u00e9nergie et l'environnement - ont maintenant \u00e9tudi\u00e9 en d\u00e9tail le processus de vieillissement du VPO en collaboration avec l'EPF de Zurich et l'entreprise suisse Clariant AG - et ont \u00e9galement d\u00e9velopp\u00e9 un nouveau proc\u00e9d\u00e9 exp\u00e9rimental dans ce cadre.<\/p>\n

Deux m\u00e9thodes...<\/strong><\/h2>\n

Clariant AG est un leader mondial de la chimie de sp\u00e9cialit\u00e9. Clariant a mis deux \u00e9chantillons \u00e0 la disposition du PSI : Premi\u00e8rement, un \u00e9chantillon de VPO non utilis\u00e9 jusqu'\u00e0 pr\u00e9sent et deuxi\u00e8mement, du VPO qui avait \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9 pendant quatre ans comme catalyseur dans l'exploitation industrielle. On savait depuis longtemps que le VPO s'alt\u00e8re avec les ann\u00e9es d'utilisation et perd l\u00e9g\u00e8rement les propri\u00e9t\u00e9s souhait\u00e9es. Mais jusqu'\u00e0 pr\u00e9sent, il n'avait pas \u00e9t\u00e9 possible d'\u00e9lucider enti\u00e8rement les processus responsables de ce ph\u00e9nom\u00e8ne dans la nanostructure et au niveau des atomes.<\/p>\n

Les chercheurs du PSI se sont pench\u00e9s sur cette question en utilisant des m\u00e9thodes ultramodernes de caract\u00e9risation des mat\u00e9riaux. Pour rendre visible la structure chimique des \u00e9chantillons \u00e0 l'\u00e9chelle nanom\u00e9trique, ils ont combin\u00e9 deux proc\u00e9d\u00e9s : Premi\u00e8rement, une m\u00e9thode de tomographie particuli\u00e8re, d\u00e9velopp\u00e9e auparavant au PSI et appel\u00e9e tomographie informatis\u00e9e \u00e0 rayons X ptychographique, qui utilise les rayons X de la Source de Lumi\u00e8re Synchrotron Suisse SLS et permet de visualiser de mani\u00e8re non destructive l'int\u00e9rieur de l'\u00e9chantillon en 3D et avec une r\u00e9solution nanom\u00e9trique. Deuxi\u00e8mement, les chercheurs ont ajout\u00e9 une m\u00e9thode de spectroscopie de transmission locale, qui a en outre r\u00e9v\u00e9l\u00e9 les propri\u00e9t\u00e9s chimiques du mat\u00e9riau dans chaque \u00e9l\u00e9ment de volume des tomogrammes.<\/p>\n

\"En fait, nous avons collect\u00e9 des donn\u00e9es en 4 dimensions\", explique Johannes Ihli, chercheur au PSI et l'un des auteurs de l'\u00e9tude : \"Nous avons reconstruit une repr\u00e9sentation 3D \u00e0 haute r\u00e9solution de notre \u00e9chantillon, dans laquelle les diff\u00e9rents \u00e9l\u00e9ments de volume - appel\u00e9s voxels - ont une longueur d'ar\u00eate de seulement 26 nanom\u00e8tres. De plus, nous avons pour chacun de ces voxels un spectre quantitatif de transmission des rayons X, dont l'analyse nous r\u00e9v\u00e8le la chimie \u00e0 cet endroit pr\u00e9cis\".<\/p>\n

Sur la base de ces spectres, les chercheurs ont d\u00e9termin\u00e9 pour chaque voxel certaines des grandeurs chimiques les plus fondamentales : La densit\u00e9 \u00e9lectronique, la concentration en vanadium et le degr\u00e9 d'oxydation du vanadium. Comme les catalyseurs VPO \u00e9tudi\u00e9s sont ce qu'on appelle un mat\u00e9riau h\u00e9t\u00e9rog\u00e8ne, ces grandeurs varient \u00e0 diff\u00e9rentes \u00e9chelles sur l'ensemble du volume de l'\u00e9chantillon. Cela d\u00e9termine ou limite la performance du mat\u00e9riau catalytique.<\/p>\n

... et un nouvel algorithme<\/strong><\/h2>\n

La proc\u00e9dure par \u00e9tapes pour obtenir ces donn\u00e9es a consist\u00e9 \u00e0 mesurer l'\u00e9chantillon pour obtenir une image de projection 2D, puis \u00e0 le faire tourner d'un tout petit peu, \u00e0 le mesurer \u00e0 nouveau et ainsi de suite. Ce processus a ensuite \u00e9t\u00e9 r\u00e9p\u00e9t\u00e9 \u00e0 diff\u00e9rentes \u00e9nergies. Selon la m\u00e9thode pr\u00e9c\u00e9dente, il aurait fallu prendre environ cinquante mille images 2D individuelles, qui auraient \u00e9t\u00e9 assembl\u00e9es en une centaine de tomographies. Pour chacun des deux \u00e9chantillons, cela aurait repr\u00e9sent\u00e9 environ une semaine de mesures.<\/p>\n

\"Les places d'exp\u00e9rimentation \u00e0 la SLS sont tr\u00e8s convoit\u00e9es et compl\u00e8tes tout au long de l'ann\u00e9e\", explique Manuel Guizar-Sicairos, \u00e9galement chercheur au PSI et responsable de cette \u00e9tude. \"Nous ne pouvons donc pas nous permettre de r\u00e9aliser des mesures qui prennent autant de temps\". La collecte des donn\u00e9es a d\u00fb \u00eatre plus efficace<\/p>\n

Zirui Gao, premier auteur de l'\u00e9tude, y est parvenu sous la forme d'un nouveau principe d'acquisition de donn\u00e9es et d'un algorithme de reconstruction associ\u00e9. \"Pour reconstruire des tomographies en 3D, il faut des prises de vue sous de nombreux angles\", explique Gao. \"Mais notre nouvel algorithme parvient \u00e0 obtenir la quantit\u00e9 d'informations n\u00e9cessaire m\u00eame en multipliant par dix environ la distance entre les angles - c'est-\u00e0-dire en ne prenant qu'un dixi\u00e8me environ des images 2D\". Les chercheurs ont ainsi r\u00e9ussi \u00e0 obtenir les donn\u00e9es n\u00e9cessaires en seulement deux jours de mesure environ, ce qui leur a permis d'\u00e9conomiser beaucoup de temps et donc d'argent.<\/p>\n

Pores plus grands et atomes manquants<\/strong><\/h2>\n

Les mesures des deux \u00e9chantillons ont montr\u00e9 que le VPO frais avait, comme pr\u00e9vu, de nombreux petits pores r\u00e9partis uniform\u00e9ment dans le mat\u00e9riau. Ces pores sont importants, car ils fournissent la surface sur laquelle la catalyse peut se d\u00e9rouler. En revanche, dans l'\u00e9chantillon de VPO qui avait \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9 pendant quatre ans, la structure s'\u00e9tait transform\u00e9e \u00e0 l'\u00e9chelle nanom\u00e9trique : Les cavit\u00e9s \u00e9taient plus grandes et moins nombreuses. Le mat\u00e9riau situ\u00e9 entre les deux pr\u00e9sentait des formes plus grandes, allong\u00e9es et cristallines.<\/p>\n

Des changements sont \u00e9galement apparus au niveau mol\u00e9culaire : Avec le temps, des d\u00e9fauts, \u00e9galement appel\u00e9s trous, sont apparus dans le r\u00e9seau atomique. Jusqu'\u00e0 pr\u00e9sent, leur existence n'\u00e9tait que suppos\u00e9e. Gr\u00e2ce \u00e0 leurs nouvelles connaissances sur la chimie des \u00e9chantillons \u00e0 l'\u00e9chelle nanom\u00e9trique, les chercheurs ont pu confirmer ces trous et d\u00e9terminer leur emplacement exact : \u00e0 la place de certains atomes de vanadium d\u00e9sormais manquants. \"On savait d\u00e9j\u00e0 que la teneur relative en vanadium diminuait avec le temps\", explique Gao. \"Mais nous avons maintenant pu montrer pour la premi\u00e8re fois \u00e0 quel endroit du r\u00e9seau cristallin ces atomes manquent. Avec nos autres r\u00e9sultats, cela confirme une hypoth\u00e8se pr\u00e9c\u00e9dente : \u00e0 savoir que ces points manquants dans le r\u00e9seau atomique peuvent servir de sites actifs suppl\u00e9mentaires pour le processus de catalyse\".<\/p>\n

Cela signifie que ces d\u00e9fauts croissants sont un effet bienvenu : Ils augmentent l'activit\u00e9 catalytique et contrecarrent ainsi, du moins en partie, la perte d'activit\u00e9 qui se produit lorsque le nombre de pores diminue. \"Nos nouveaux r\u00e9sultats d\u00e9taill\u00e9s pourraient aider les entreprises industrielles \u00e0 optimiser leurs catalyseurs et \u00e0 les rendre plus durables\", conclut Gao.<\/p>\n

Publication originale :<\/em> Tomographie par spectroscopie de transmission de rayons X ab initio pour l'analyse compositionnelle nanoscopique de mat\u00e9riaux fonctionnels ; Z. Gao, M. Odstrcil, S. B\u00f6cklein, D. Palagin, M. Holler, D. Ferreira Sanchez, F. Krumeich, A. Menzel, M. Stampanoni, G. Mestl, J.A. van Bokhoven, M. Guizar-Sicairos, J. Ihli
\nScience Advances 9 juin 2021 (en ligne)
\nDOI :\u00a010.1126\/sciadv.abf6971<\/a><\/p><\/blockquote>\n

 <\/p>\n

 <\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Die Materialgruppe der Vanadium-Phosphor-Oxide (VPO) ist in der chemischen Industrie weit verbreitet als Katalysator. Bereits seit den 1970er-Jahren werden VPO bei der Herstellung von Maleins\u00e4ure-Anhydrid eingesetzt; dies wiederum ist Ausgangsmaterial zur Herstellung bestimmter Arten von Plastik, darunter zunehmend biologisch abbaubarer Kunststoffe. In der Industrie werden die Katalyse-Materialien \u00fcber mehrere Jahre genutzt, denn sie spielen zwar […]<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":4377,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_yoast_wpseo_focuskw":"Katalysator","_yoast_wpseo_metadesc":"Das PSI hat ein Tomografie-Verfahren entwickelt, mit dem es chemische Eigenschaften im Inneren von Katalysator-Materialien in 3-D sehr schnell messen kann.","articlekey":"","footnotes":""},"categories":[1],"tags":[1477,2313,2489],"class_list":["post-4376","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-allgemein","tag-katalysator","tag-tomografie-verfahren","tag-vpo-katalysator"],"acf":[],"yoast_head":"\nWie Katalysatoren altern - Organisator<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"Das PSI hat ein Tomografie-Verfahren entwickelt, mit dem es chemische Eigenschaften im Inneren von Katalysator-Materialien in 3-D sehr schnell messen kann.\" \/>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/www.organisator.ch\/fr\/general\/2021-06-21\/wie-katalysatoren-altern\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"fr_FR\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"Wie Katalysatoren altern - 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