Wissenschaftler verwenden Peroxid, um Metalloxidreaktionen zu untersuchen

07 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher der Binghamton University leiteten Forschungsarbeiten in Zusammenarbeit mit dem Center for Functional Nanomaterials (CFN) – einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) am Brookhaven National Laboratory –, um einen besseren Einblick in die Wirkungsweise von Peroxiden auf der Oberfläche von Kupferoxid zu erhalten fördern die Oxidation von Wasserstoff, hemmen jedoch die Oxidation von Kohlenmonoxid und können so Oxidationsreaktionen steuern. Sie konnten diese schnellen Veränderungen mit zwei komplementären Spektroskopiemethoden beobachten, die auf diese Weise noch nicht eingesetzt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences („Abstimmung der Oberflächenreaktivität von Oxiden durch Peroxidspezies“). „Kupfer ist eine der am besten untersuchten und relevantesten Oberflächen, sowohl in der Katalyse als auch in der Korrosionswissenschaft“, erklärte Anibal Boscoboinik, Materialwissenschaftler bei CFN. „So viele mechanische Teile, die in der Industrie verwendet werden, bestehen aus Kupfer, daher ist es sehr wichtig, dieses Element der Korrosionsprozesse zu verstehen.“ „Ich habe mir schon immer gerne Kupfersysteme angesehen“, sagte Ashley Head, ebenfalls Materialwissenschaftlerin bei CFN. „Sie haben so interessante Eigenschaften und Reaktionen, von denen einige wirklich verblüffend sind.“ Ein besseres Verständnis von Oxidkatalysatoren gibt Forschern eine bessere Kontrolle über die von ihnen hervorgerufenen chemischen Reaktionen, einschließlich Lösungen für saubere Energie. Kupfer kann beispielsweise katalytisch Methanol bilden und in wertvolle Kraftstoffe umwandeln. Daher ist die Kontrolle der Sauerstoffmenge und der Elektronenzahl auf Kupfer ein wichtiger Schritt für effiziente chemische Reaktionen.

Peroxid als Stellvertreter

Peroxide sind chemische Verbindungen, die zwei Sauerstoffatome enthalten, die durch gemeinsame Elektronen verbunden sind. Die Bindung in Peroxiden ist ziemlich schwach, sodass andere Chemikalien ihre Struktur verändern können, was sie sehr reaktiv macht. In diesem Experiment konnten Wissenschaftler die Redoxschritte katalytischer Oxidationsreaktionen auf einer oxidierten Kupferoberfläche (CuO) verändern, indem sie die Zusammensetzung von Peroxidspezies identifizierten, die mit verschiedenen Gasen gebildet wurden: O2 (Sauerstoff), H2 (Wasserstoff) und CO (Kohlenmonoxid). Bindungsenergie und Ort der Peroxidbildung (OO) auf Kupferoxid (CuO). (Bild: BNL) Redox ist eine Kombination aus Reduktion und Oxidation. Dabei nimmt das Oxidationsmittel ein Elektron auf und das Reduktionsmittel gibt ein Elektron ab. Beim Vergleich dieser verschiedenen Peroxidspezies und der Art und Weise, wie diese Schritte ablaufen, stellten die Forscher fest, dass eine Oberflächenschicht aus Peroxid die Reduzierbarkeit von CuO zugunsten von H deutlich steigerte2 Oxidation. Sie fanden auch heraus, dass es andererseits als Inhibitor zur Unterdrückung der CuO-Reduktion gegen die CO-Oxidation (Kohlenmonoxid) wirkte. Sie fanden heraus, dass dieser gegensätzliche Effekt des Peroxids auf die beiden Oxidationsreaktionen auf die Modifikation der Oberflächenstellen zurückzuführen ist, an denen die Reaktion stattfindet. Indem Wissenschaftler diese Bindungsstellen finden und lernen, wie sie die Oxidation fördern oder hemmen, können sie diese Gase nutzen, um den Ablauf dieser Reaktionen besser zu kontrollieren. Um diese Reaktionen abzustimmen, mussten die Wissenschaftler jedoch einen klaren Blick auf das Geschehen werfen.

Die richtigen Werkzeuge für den Job

Studieren Sie diese Reaktion in situ war für das Team wichtig, da Peroxide sehr reaktiv sind und diese Veränderungen schnell erfolgen. Ohne die richtigen Werkzeuge oder die richtige Umgebung ist es schwierig, einen so begrenzten Moment an der Oberfläche festzuhalten. Peroxidspezies auf Kupferoberflächen wurden in der Vergangenheit nie mithilfe der In-situ-Infrarotspektroskopie (IR) beobachtet. Bei dieser Technik nutzen Forscher Infrarotstrahlung, um die chemischen Eigenschaften eines Materials besser zu verstehen, indem sie untersuchen, wie die Strahlung unter Reaktionsbedingungen absorbiert oder reflektiert wird. In diesem Experiment konnten Wissenschaftler „Spezies“ von Peroxiden mit sehr geringen Variationen im enthaltenen Sauerstoff unterscheiden, die sonst auf einer Metalloxidoberfläche nur sehr schwer zu identifizieren gewesen wären. „Ich war wirklich aufgeregt, als ich mir die Infrarotspektren dieser Peroxidspezies auf einer Oberfläche ansah und sah, dass es nicht viele Veröffentlichungen gab. Es war aufregend, dass wir diese Unterschiede mit einer Technik erkennen konnten, die bei dieser Art von Arten nicht weit verbreitet ist“, erinnert sich Head. Die IR-Spektroskopie allein reichte jedoch nicht aus, um sicherzugehen, weshalb das Team auch eine andere Spektroskopietechnik namens Umgebungsdruck-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) verwendete. XPS nutzt Röntgenstrahlen niedrigerer Energie, um Elektronen aus der Probe herauszuschleudern. Die Energie dieser Elektronen gibt Wissenschaftlern Hinweise auf die chemischen Eigenschaften der Atome in der Probe. Die Verfügbarkeit beider Techniken über das CFN-Benutzerprogramm war der Schlüssel zur Ermöglichung dieser Forschung. „Eines der Dinge, auf die wir stolz sind, sind die Instrumente, die wir hier haben und modifiziert haben“, sagte Boscoboinik. „Unsere Instrumente sind miteinander verbunden, sodass Benutzer die Probe in einer kontrollierten Umgebung zwischen diesen beiden Techniken bewegen und sie vor Ort untersuchen können, um ergänzende Informationen zu erhalten. In den meisten anderen Fällen müsste ein Benutzer die Probe herausnehmen, um zu einem anderen Instrument zu gelangen, und diese Änderung der Umgebung könnte die Oberfläche verändern.“ „Ein schönes Merkmal von CFN sind nicht nur seine hochmodernen Einrichtungen für die Wissenschaft, sondern auch die Möglichkeiten, die es zur Ausbildung junger Forscher bietet“, sagte Guangwen Zhou, Professor am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science Fakultät für Maschinenbau und Materialwissenschaftsprogramm an der Binghamton University. „Jeder der beteiligten Studenten hat von umfangreichen, praktischen Erfahrungen mit den bei CFN verfügbaren Mikroskopie- und Spektroskopie-Tools profitiert.“ Diese Arbeit wurde durch die Beiträge von vier Doktoranden in Zhous Gruppe erreicht: Yaguang Zhu und Jianyu Wang, die ersten Co-Autoren dieser Arbeit, sowie Shyam Patel und Chaoran Li. Alle diese Studierenden stehen noch am Anfang ihrer Karriere und haben gerade im Jahr 2022 ihren Doktortitel erworben.

Zukünftige Erkenntnisse

Die Ergebnisse dieser Studie können neben Kupfer auch auf andere Reaktionstypen und andere Katalysatoren anwendbar sein. Diese Erkenntnisse sowie die Prozesse und Techniken, die die Wissenschaftler dorthin führten, könnten Eingang in die entsprechende Forschung finden. Metalloxide werden häufig als Katalysatoren selbst oder als Komponenten in Katalysatoren verwendet. Die Optimierung der Peroxidbildung auf anderen Oxiden könnte eine Möglichkeit sein, Oberflächenreaktionen während anderer katalytischer Prozesse zu blockieren oder zu verstärken. „Ich bin an einigen anderen Projekten im Zusammenhang mit Kupfer und Kupferoxiden beteiligt, einschließlich der Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol zur Verwendung als Brennstoff für saubere Energie“, sagte Head. „Die Betrachtung dieser Peroxide auf derselben Oberfläche, die ich verwende, hat das Potenzial, Auswirkungen auf andere Projekte zu haben, bei denen Kupfer und andere Metalloxide verwendet werden.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php