Avec un pôle très fort en spectroscopie infrarouge (IR), mais aussi en RMN et en spectroscopie Raman, le LCS occupe une place unique dans le domaine de la dépollution automobile, dans la production d’énergie et dans le domaine des bioressources. Le projet DRUID vise à développer un nouveau type de spectromètre IR operando permettant d’atteindre une résolution temporelle particulièrement élevée afin de mieux comprendre les mécanismes réactionnels de dépollution catalytique.

Notre projet a pour but de réaliser un dispositif analytique permettant de déceler des intermédiaires réactionnels de courte durée de vie, afin de décrire de manière complète les mécanismes de fonctionnement des matériaux catalytiques et, par ce biais, envisager de façon rationnelle la préparation de nouvelles classes de catalyseurs plus performants, économes en énergie et résistants au vieillissement. Avec un spectromètre IR à transformée de Fourier standard fonctionnant en mode « rapid-scan », nous pouvons analyser toute espèce présente dans le domaine du moyen infrarouge, avec une résolution temporelle de quelques dizaines de millisecondes au mieux, ce qui n’est pas assez rapide pour certaines espèces à courte durée de vie. Nous avons donc modifié le banc optique d’un tel spectromètre en y couplant des lasers à cascade quantique (QCLs) qui peuvent analyser le même échantillon à des fréquences bien précises, dans les mêmes conditions que le faisceau FT-IR, mais avec une résolution temporelle de l’ordre de la microseconde. Ainsi, nous avons gardé les prérogatives analytiques d’un spectromètre à transformée de Fourier « rapid-scan », qui fournit des informations globales sur un matériau et les espèces adsorbées sur sa surface, en y ajoutant des informations sur l’évolution d’entités moléculaires spécifiques quand c’est nécessaire, avec une vitesse jamais atteinte sur des analyses catalytiques en continu.

Nous avons démontré l’efficacité et la fiabilité de notre nouveau spectromètre en étudiant la diffusion d’un gaz (l’ammoniac) dans un matériau poreux (une zéolithe ZSM-5) de façon à avoir un suivi précis de la cinétique moléculaire à l’intérieur des pores. En effet, nous avons montré que notre spectromètre était capable de mesurer un changement dans l’étape limitante du phénomène à des pressions d’ammoniac élevées, qui est crucial à prendre en compte mais impossible à observer avec un spectromètre FT-IR standard. Ces résultats ouvrent la voie à une meilleure compréhension de phénomènes dynamiques rapides en général, quel que soit le domaine d’application. Pour le moment, nos recherches s’orientent vers la compréhension du mécanisme de la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote par l’ammoniac (est-ce l’ammoniac adsorbé sur les sites acides de Lewis ou sur les sites acides de Brönsted qui constitue l’espèce active majeure ?), et vers des études en photocatalyse.