Forskere bruger peroxid til at kigge ind i metaloxidreaktioner

07. april 2023 (Nanowerk nyheder) Forskere ved Binghamton University ledede forskningssamarbejde med Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - for at få et bedre overblik over, hvordan peroxider på overfladen af ​​kobberoxid fremmer oxidationen af ​​brint, men hæmmer oxidationen af ​​carbonmonoxid, hvilket giver dem mulighed for at styre oxidationsreaktioner. De var i stand til at observere disse hurtige ændringer med to komplementære spektroskopimetoder, som ikke er blevet brugt på denne måde. Resultaterne af dette arbejde er blevet offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of National Academy of Sciences ("Justering af overfladereaktiviteten af ​​oxider efter peroxidarter"). "Kobber er en af ​​de mest undersøgte og relevante overflader, både i katalyse og i korrosionsvidenskab," forklarede Anibal Boscoboinik, materialeforsker ved CFN. "Så mange mekaniske dele, der bruges i industrien, er lavet af kobber, så det er meget vigtigt at prøve at forstå dette element i korrosionsprocesserne." "Jeg har altid godt kunne lide at se på kobbersystemer," sagde Ashley Head, der også er materialeforsker ved CFN. "De har så interessante egenskaber og reaktioner, hvoraf nogle er virkelig slående." At få en bedre forståelse af oxidkatalysatorer giver forskerne mere kontrol over de kemiske reaktioner, de producerer, herunder løsninger til ren energi. Kobber, for eksempel, kan katalytisk danne og omdanne methanol til værdifulde brændstoffer, så at være i stand til at kontrollere mængden af ​​ilt og antallet af elektroner på kobber er et nøgletrin til effektive kemiske reaktioner.

Peroxid som fuldmagt

Peroxider er kemiske forbindelser, der indeholder to oxygenatomer forbundet med delte elektroner. Bindingen i peroxider er ret svag, hvilket tillader andre kemikalier at ændre dens struktur, hvilket gør dem meget reaktive. I dette eksperiment var videnskabsmænd i stand til at ændre redoxtrinene af katalytiske oxidationsreaktioner på en oxideret kobberoverflade (CuO) ved at identificere sammensætningen af ​​peroxidarter dannet med forskellige gasser: O2 (ilt), H2 (brint) og CO (kulilte). Bindingsenergi og placering af peroxid (OO) dannelse på kobberoxid (CuO). (Billede: BNL) Redox er en kombination af reduktion og oxidation. I denne proces får oxidationsmidlet en elektron, og reduktionsmidlet mister en elektron. Ved sammenligning af disse forskellige peroxidarter og hvordan disse trin udspillede sig, fandt forskerne ud af, at et overfladelag af peroxid signifikant forbedrede CuO-reducerbarheden til fordel for H2 oxidation. De fandt også ud af, at det på den anden side virkede som en hæmmer til at undertrykke CuO-reduktion mod CO (carbonmonoxid) oxidation. De fandt ud af, at denne modsatte effekt af peroxidet på de to oxidationsreaktioner stammer fra modifikationen af ​​overfladestederne, hvor reaktionen finder sted. Ved at finde disse bindingssteder og lære, hvordan de fremmer eller hæmmer oxidation, kan forskere bruge disse gasser til at få mere kontrol over, hvordan disse reaktioner udspiller sig. For at tune disse reaktioner var forskerne dog nødt til at få et klart blik på, hvad der skete.

De rigtige værktøjer til jobbet

Studerer denne reaktion on-site var vigtigt for holdet, da peroxider er meget reaktive, og disse ændringer sker hurtigt. Uden det rigtige værktøj eller miljø er det svært at fange et så begrænset øjeblik på overfladen. Peroxidarter på kobberoverflader blev aldrig observeret ved brug af in-situ infrarød (IR) spektroskopi i fortiden. Med denne teknik bruger forskere infrarød stråling til at få en bedre forståelse af et materiales kemiske egenskaber ved at se på, hvordan strålingen absorberes eller reflekteres under reaktionsbetingelser. I dette eksperiment var forskerne i stand til at differentiere "arter" af peroxid, med meget små variationer i den ilt, de bar, hvilket ellers ville have været meget svært at identificere på en metaloxidoverflade. "Jeg blev virkelig begejstret, da jeg kiggede op i de infrarøde spektre af disse peroxidarter på en overflade og så, at der ikke var mange publikationer. Det var spændende, at vi kunne se disse forskelle ved hjælp af en teknik, der ikke er almindeligt anvendt på denne slags arter,” huskede Head. IR-spektroskopi i sig selv var dog ikke nok til at være sikker, hvorfor holdet også brugte en anden spektroskopiteknik kaldet røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). XPS bruger røntgenstråler med lavere energi til at sparke elektroner ud af prøven. Energien af ​​disse elektroner giver videnskabsmænd fingerpeg om de kemiske egenskaber af atomer i prøven. At have begge teknikker tilgængelige gennem CFN-brugerprogrammet var nøglen til at gøre denne forskning mulig. "En af de ting, vi er stolte af, er de instrumenter, vi har og modificeret her," sagde Boscoboinik. "Vores instrumenter er forbundet, så brugerne kan flytte prøven i et kontrolleret miljø mellem disse to teknikker og studere dem in situ for at få supplerende information. Under de fleste andre omstændigheder ville en bruger skulle tage prøven ud for at gå til et andet instrument, og den ændring af miljøet kunne ændre dets overflade." "En god egenskab ved CFN ligger ikke kun i dets avancerede faciliteter til videnskab, men også de muligheder, det giver for at uddanne unge forskere," sagde Guangwen Zhou professor ved Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Institut for Mekanisk Teknik og Materials Science-programmet ved Binghamton University. "Hver af de involverede studerende har nydt godt af omfattende, praktisk erfaring med mikroskopi- og spektroskopiværktøjer, der er tilgængelige på CFN." Dette arbejde blev udført med bidrag fra fire ph.d.-studerende i Zhou's gruppe: Yaguang Zhu og Jianyu Wang, de første medforfattere til dette papir, og Shyam Patel og Chaoran Li. Alle disse studerende er tidligt i deres karriere, efter at have opnået deres ph.d.er i 2022.

Fremtidige fund

Resultaterne af denne undersøgelse kan gælde for andre typer reaktioner og andre katalysatorer udover kobber. Disse resultater og de processer og teknikker, der førte videnskabsmænd dertil, kunne finde vej til relateret forskning. Metaloxider anvendes i vid udstrækning som selve katalysatorer eller komponenter i katalysatorer. Afstemning af peroxiddannelse på andre oxider kunne være en måde at blokere eller forstærke overfladereaktioner under andre katalytiske processer. "Jeg er involveret i nogle andre projekter relateret til kobber og kobberoxider, herunder omdannelse af kuldioxid til methanol til brug som brændstof til ren energi," sagde Head. "At se på disse peroxider på den samme overflade, som jeg bruger, har potentialet til at påvirke andre projekter, der bruger kobber og andre metaloxider."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php