يستخدم العلماء البيروكسيد للنظر في تفاعلات أكسيد المعادن

07 أبريل 2023 (أخبار Nanowerk) قاد الباحثون في جامعة بينجهامتون شراكة بحثية مع مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) - وهو مرفق مستخدم للعلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) في مختبر بروكهافن الوطني - لإلقاء نظرة أفضل على كيفية وجود البيروكسيدات على سطح أكسيد النحاس. تعزز أكسدة الهيدروجين ولكنها تمنع أكسدة أول أكسيد الكربون، مما يسمح لها بتوجيه تفاعلات الأكسدة. لقد تمكنوا من ملاحظة هذه التغييرات السريعة باستخدام طريقتين مجانيتين للتحليل الطيفي لم يتم استخدامهما بهذه الطريقة. وقد نشرت نتائج هذا العمل في المجلة وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم ("ضبط التفاعل السطحي للأكاسيد بواسطة أنواع البيروكسيد"). وأوضح أنيبال بوسكوبوينيك، عالم المواد في CFN، أن "النحاس هو أحد الأسطح الأكثر دراسة وذات صلة، سواء في التحفيز أو في علم التآكل". "الكثير من الأجزاء الميكانيكية المستخدمة في الصناعة مصنوعة من النحاس، لذا فإن محاولة فهم هذا العنصر من عمليات التآكل أمر مهم للغاية." قال أشلي هيد، وهو أيضًا عالم مواد في CFN: "لطالما أحببت النظر إلى الأنظمة النحاسية". "إنها تتمتع بخصائص وردود أفعال مثيرة للاهتمام، وبعضها ملفت للنظر حقًا." إن اكتساب فهم أفضل لمحفزات الأكسيد يمنح الباحثين مزيدًا من التحكم في التفاعلات الكيميائية التي تنتجها، بما في ذلك حلول الطاقة النظيفة. يمكن للنحاس، على سبيل المثال، تكوين الميثانول وتحويله بشكل تحفيزي إلى وقود ذي قيمة، لذا فإن القدرة على التحكم في كمية الأكسجين وعدد الإلكترونات الموجودة على النحاس تعد خطوة أساسية نحو تفاعلات كيميائية فعالة.

بيروكسيد كوكيل

البيروكسيدات عبارة عن مركبات كيميائية تحتوي على ذرتين أكسجين مرتبطتين بإلكترونات مشتركة. الرابطة في البيروكسيدات ضعيفة إلى حد ما، مما يسمح للمواد الكيميائية الأخرى بتغيير بنيتها، مما يجعلها شديدة التفاعل. في هذه التجربة، تمكن العلماء من تغيير خطوات الأكسدة والاختزال في تفاعلات الأكسدة الحفزية على سطح النحاس المؤكسد (CuO) من خلال تحديد تركيبة أنواع البيروكسيد المتكونة من غازات مختلفة: O2 (الأكسجين)، ح2 (الهيدروجين)، وCO (أول أكسيد الكربون). طاقة الربط وموقع تكوين البيروكسيد (OO) على أكسيد النحاس (CuO). (الصورة: بي إن إل) الأكسدة والاختزال هو مزيج من الاختزال والأكسدة. في هذه العملية، يكتسب العامل المؤكسد إلكترونًا ويفقد العامل المختزل إلكترونًا. عند مقارنة هذه الأنواع المختلفة من البيروكسيد وكيفية تنفيذ هذه الخطوات، وجد الباحثون أن الطبقة السطحية من البيروكسيد عززت بشكل كبير قابلية اختزال CuO لصالح H2.2 أكسدة. ووجدوا أيضًا أنه، من ناحية أخرى، كان بمثابة مثبط لقمع اختزال CuO ضد أكسدة ثاني أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون). ووجدوا أن هذا التأثير المعاكس للبيروكسيد على تفاعلي الأكسدة ينبع من تعديل المواقع السطحية التي يحدث فيها التفاعل. من خلال العثور على مواقع الترابط هذه ومعرفة كيفية تعزيزها أو تثبيطها للأكسدة، يمكن للعلماء استخدام هذه الغازات للحصول على مزيد من التحكم في كيفية حدوث هذه التفاعلات. ومن أجل ضبط هذه التفاعلات، كان على العلماء إلقاء نظرة واضحة على ما كان يحدث.

الأدوات المناسبة للوظيفة

دراسة رد الفعل هذا فى الموقع كان ذلك مهمًا للفريق، نظرًا لأن البيروكسيدات شديدة التفاعل وتحدث هذه التغييرات بسرعة. وبدون الأدوات أو البيئة المناسبة، من الصعب التقاط مثل هذه اللحظة المحدودة على السطح. لم تتم ملاحظة أنواع البيروكسيد الموجودة على الأسطح النحاسية مطلقًا باستخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (IR) في الموقع في الماضي. باستخدام هذه التقنية، يستخدم الباحثون الأشعة تحت الحمراء للحصول على فهم أفضل للخصائص الكيميائية للمادة من خلال النظر في الطريقة التي يتم بها امتصاص الإشعاع أو انعكاسه تحت ظروف التفاعل. في هذه التجربة، تمكن العلماء من التمييز بين "أنواع" البيروكسيد، مع وجود اختلافات طفيفة جدًا في الأكسجين الذي كانوا يحملونه، والذي كان من الصعب جدًا تحديده على سطح أكسيد المعدن. "لقد شعرت بالإثارة حقًا عندما كنت أبحث عن أطياف الأشعة تحت الحمراء لأنواع البيروكسيد هذه على السطح ورأيت أنه لم يكن هناك الكثير من المنشورات. كان من المثير أن نتمكن من رؤية هذه الاختلافات باستخدام تقنية لا يتم تطبيقها على نطاق واسع على هذا النوع من الأنواع. ومع ذلك، لم يكن التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء كافيًا للتأكد، ولهذا السبب استخدم الفريق أيضًا تقنية تحليل طيفي أخرى تسمى التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية للضغط المحيط (XPS). يستخدم XPS أشعة سينية ذات طاقة أقل لطرد الإلكترونات من العينة. وتمنح طاقة هذه الإلكترونات العلماء أدلة حول الخواص الكيميائية للذرات الموجودة في العينة. كان توفر كلا التقنيتين من خلال برنامج مستخدم CFN أمرًا أساسيًا لجعل هذا البحث ممكنًا. وقال بوسكوبوينيك: "أحد الأشياء التي نفخر بها هي الأدوات التي قمنا بتعديلها هنا". "إن أدواتنا متصلة، بحيث يمكن للمستخدمين نقل العينة في بيئة خاضعة للرقابة بين هاتين التقنيتين ودراستها في الموقع للحصول على معلومات تكميلية. وفي معظم الظروف الأخرى، سيتعين على المستخدم أخذ العينة للذهاب إلى أداة مختلفة، وقد يؤدي تغيير البيئة إلى تغيير سطحها. وقال أستاذ قوانغوين تشو في كلية توماس جيه واتسون للهندسة والعلوم التطبيقية: "إن الميزة الرائعة لـ CFN لا تكمن فقط في مرافقها الحديثة للعلوم، ولكن أيضًا في الفرص التي توفرها لتدريب الباحثين الشباب". قسم الهندسة الميكانيكية وبرنامج علوم المواد في جامعة بينجهامتون. "لقد استفاد كل من الطلاب المشاركين من الخبرة العملية الواسعة في أدوات الفحص المجهري والتحليل الطيفي المتوفرة في CFN." تم إنجاز هذا العمل بمساهمات أربعة من طلاب الدكتوراه في مجموعة تشو: ياجوانج تشو، وجيانيو وانج، المؤلفان المشاركان الأوائل لهذه الورقة، وشيام باتيل، وشوران لي. جميع هؤلاء الطلاب هم في بداية حياتهم المهنية، وقد حصلوا للتو على درجة الدكتوراه في عام 2022.

النتائج المستقبلية

قد تنطبق نتائج هذه الدراسة على أنواع أخرى من التفاعلات والمحفزات الأخرى إلى جانب النحاس. هذه النتائج والعمليات والتقنيات التي قادت العلماء إلى هناك يمكن أن تجد طرقها في الأبحاث ذات الصلة. تستخدم أكاسيد المعادن على نطاق واسع كمحفزات بحد ذاتها أو كمكونات في المحفزات. ضبط تكوين البيروكسيد على أكاسيد أخرى يمكن أن يكون وسيلة لمنع أو تعزيز التفاعلات السطحية أثناء العمليات التحفيزية الأخرى. وقال هيد: "أنا منخرط في بعض المشاريع الأخرى المتعلقة بالنحاس وأكاسيد النحاس، بما في ذلك تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثانول لاستخدامه كوقود للطاقة النظيفة". "إن النظر إلى هذه البيروكسيدات على نفس السطح الذي أستخدمه لديه القدرة على إحداث تأثير على مشاريع أخرى تستخدم النحاس وأكاسيد المعادن الأخرى."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php