Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν υπεροξείδιο για να εξετάσουν τις αντιδράσεις οξειδίων μετάλλων

07 Απριλίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Binghamton οδήγησαν την έρευνα σε συνεργασία με το Κέντρο για Λειτουργικά Νανοϋλικά (CFN)—μια εγκατάσταση χρήστη του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven—για να πάρουν μια καλύτερη ματιά στον τρόπο με τον οποίο τα υπεροξείδια στην επιφάνεια του οξειδίου του χαλκού προάγουν την οξείδωση του υδρογόνου αλλά αναστέλλουν την οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα, επιτρέποντάς τους να κατευθύνουν τις αντιδράσεις οξείδωσης. Κατάφεραν να παρατηρήσουν αυτές τις γρήγορες αλλαγές με δύο συμπληρωματικές μεθόδους φασματοσκοπίας που δεν έχουν χρησιμοποιηθεί με αυτόν τον τρόπο. Τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας έχουν δημοσιευθεί στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών («Συντονισμός της επιφανειακής αντιδραστικότητας των οξειδίων από είδη υπεροξειδίου»). «Ο χαλκός είναι μια από τις πιο μελετημένες και σχετικές επιφάνειες, τόσο στην κατάλυση όσο και στην επιστήμη της διάβρωσης», εξήγησε ο Anibal Boscoboinik, επιστήμονας υλικών στο CFN. «Τόσα πολλά μηχανικά μέρη που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία είναι κατασκευασμένα από χαλκό, επομένως η προσπάθεια κατανόησης αυτού του στοιχείου των διαδικασιών διάβρωσης είναι πολύ σημαντική». «Πάντα μου άρεσε να κοιτάζω τα συστήματα χαλκού», είπε η Ashley Head επίσης επιστήμονας υλικών στο CFN. «Έχουν τόσο ενδιαφέρουσες ιδιότητες και αντιδράσεις, μερικές από τις οποίες είναι πραγματικά εντυπωσιακές». Η απόκτηση καλύτερης κατανόησης των καταλυτών οξειδίων δίνει στους ερευνητές περισσότερο έλεγχο των χημικών αντιδράσεων που παράγουν, συμπεριλαμβανομένων των λύσεων για καθαρή ενέργεια. Ο χαλκός, για παράδειγμα, μπορεί να σχηματίσει καταλυτικά και να μετατρέψει τη μεθανόλη σε πολύτιμα καύσιμα, επομένως η δυνατότητα ελέγχου της ποσότητας οξυγόνου και του αριθμού των ηλεκτρονίων στον χαλκό είναι ένα βασικό βήμα για αποτελεσματικές χημικές αντιδράσεις.

Το υπεροξείδιο ως αντιπρόσωπος

Τα υπεροξείδια είναι χημικές ενώσεις που περιέχουν δύο άτομα οξυγόνου που συνδέονται με κοινά ηλεκτρόνια. Ο δεσμός στα υπεροξείδια είναι αρκετά αδύναμος, επιτρέποντας σε άλλες χημικές ουσίες να αλλάξουν τη δομή του, γεγονός που τα καθιστά πολύ αντιδραστικά. Σε αυτό το πείραμα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αλλάξουν τα στάδια οξειδοαναγωγής των αντιδράσεων καταλυτικής οξείδωσης σε μια επιφάνεια οξειδωμένου χαλκού (CuO) προσδιορίζοντας τη σύνθεση των ειδών υπεροξειδίου που σχηματίζονται με διαφορετικά αέρια:2 (οξυγόνο), Η2 (υδρογόνο) και CO (μονοξείδιο του άνθρακα). Ενέργεια δέσμευσης και θέση σχηματισμού υπεροξειδίου (OO) στο οξείδιο του χαλκού (CuO). (Εικόνα: BNL) Το Redox είναι ένας συνδυασμός αναγωγής και οξείδωσης. Σε αυτή τη διαδικασία, ο οξειδωτικός παράγοντας αποκτά ένα ηλεκτρόνιο και ο αναγωγικός παράγοντας χάνει ένα ηλεκτρόνιο. Κατά τη σύγκριση αυτών των διαφορετικών ειδών υπεροξειδίου και του τρόπου με τον οποίο έγιναν αυτά τα βήματα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ένα επιφανειακό στρώμα υπεροξειδίου ενίσχυσε σημαντικά την αναγωγιμότητα του CuO υπέρ του H2 οξείδωση. Βρήκαν επίσης ότι, από την άλλη πλευρά, λειτούργησε ως αναστολέας για την καταστολή της μείωσης του CuO έναντι της οξείδωσης του CO (μονοξείδιο του άνθρακα). Βρήκαν ότι αυτή η αντίθετη επίδραση του υπεροξειδίου στις δύο αντιδράσεις οξείδωσης προέρχεται από την τροποποίηση των επιφανειακών θέσεων όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση. Βρίσκοντας αυτές τις θέσεις σύνδεσης και μαθαίνοντας πώς προάγουν ή αναστέλλουν την οξείδωση, οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα αέρια για να αποκτήσουν περισσότερο έλεγχο του τρόπου με τον οποίο παίζονται αυτές οι αντιδράσεις. Ωστόσο, για να συντονιστούν αυτές οι αντιδράσεις, οι επιστήμονες έπρεπε να έχουν μια ξεκάθαρη ματιά στο τι συνέβαινε.

Τα σωστά εργαλεία για τη δουλειά

Μελετώντας αυτή την αντίδραση στο χώρο ήταν σημαντικό για την ομάδα, καθώς τα υπεροξείδια είναι πολύ αντιδραστικά και αυτές οι αλλαγές συμβαίνουν γρήγορα. Χωρίς τα κατάλληλα εργαλεία ή περιβάλλον, είναι δύσκολο να πιάσεις μια τόσο περιορισμένη στιγμή στην επιφάνεια. Είδη υπεροξειδίου σε χάλκινες επιφάνειες δεν παρατηρήθηκαν ποτέ με χρήση in-situ υπέρυθρης φασματοσκοπίας (IR) στο παρελθόν. Με αυτήν την τεχνική, οι ερευνητές χρησιμοποιούν υπέρυθρη ακτινοβολία για να κατανοήσουν καλύτερα τις χημικές ιδιότητες ενός υλικού εξετάζοντας τον τρόπο με τον οποίο η ακτινοβολία απορροφάται ή ανακλάται υπό συνθήκες αντίδρασης. Σε αυτό το πείραμα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να διαφοροποιήσουν «είδη» υπεροξειδίου, με πολύ μικρές διακυμάνσεις στο οξυγόνο που μετέφεραν, κάτι που διαφορετικά θα ήταν πολύ δύσκολο να εντοπιστεί σε μια επιφάνεια μεταλλικού οξειδίου. «Ενθουσιάστηκα πολύ όταν έψαχνα τα υπέρυθρα φάσματα αυτών των ειδών υπεροξειδίου σε μια επιφάνεια και είδα ότι δεν υπήρχαν πολλές δημοσιεύσεις. Ήταν συναρπαστικό που μπορούσαμε να δούμε αυτές τις διαφορές χρησιμοποιώντας μια τεχνική που δεν εφαρμόζεται ευρέως σε αυτού του είδους τα είδη», θυμάται ο Head. Η φασματοσκοπία υπερύθρων από μόνη της δεν ήταν αρκετή για να είμαστε σίγουροι, γι' αυτό η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης μια άλλη τεχνική φασματοσκοπίας που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ πίεσης περιβάλλοντος (XPS). Το XPS χρησιμοποιεί ακτίνες Χ χαμηλότερης ενέργειας για να διώξει τα ηλεκτρόνια έξω από το δείγμα. Η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων δίνει στους επιστήμονες στοιχεία για τις χημικές ιδιότητες των ατόμων στο δείγμα. Η διάθεση και των δύο τεχνικών μέσω του Προγράμματος Χρήστη CFN ήταν το κλειδί για να καταστεί δυνατή αυτή η έρευνα. «Ένα από τα πράγματα για τα οποία υπερηφανευόμαστε είναι τα όργανα που έχουμε και τροποποιήσουμε εδώ», είπε ο Boscoboinik. «Τα όργανά μας είναι συνδεδεμένα, έτσι οι χρήστες μπορούν να μετακινήσουν το δείγμα σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον μεταξύ αυτών των δύο τεχνικών και να τις μελετήσουν επί τόπου για να λάβουν συμπληρωματικές πληροφορίες. Στις περισσότερες άλλες περιπτώσεις, ένας χρήστης θα έπρεπε να βγάλει το δείγμα για να πάει σε ένα διαφορετικό όργανο και αυτή η αλλαγή περιβάλλοντος θα μπορούσε να αλλάξει την επιφάνειά του». «Ένα ωραίο χαρακτηριστικό του CFN δεν έγκειται μόνο στις υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις για την επιστήμη, αλλά και στις ευκαιρίες που παρέχει για την εκπαίδευση νέων ερευνητών», δήλωσε ο καθηγητής Guangwen Zhou στο Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science. Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και το πρόγραμμα Επιστήμης Υλικών στο Πανεπιστήμιο Binghamton. «Καθένας από τους συμμετέχοντες μαθητές έχει επωφεληθεί από την εκτενή, πρακτική εμπειρία στα εργαλεία μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας που είναι διαθέσιμα στο CFN». Αυτή η εργασία ολοκληρώθηκε με τις συνεισφορές τεσσάρων διδακτορικών φοιτητών στην ομάδα του Zhou: Yaguang Zhu και Jianyu Wang, οι πρώτοι συν-συγγραφείς αυτής της εργασίας, και οι Shyam Patel και Chaoran Li. Όλοι αυτοί οι φοιτητές βρίσκονται νωρίς στην καριέρα τους, έχοντας μόλις αποκτήσει το διδακτορικό τους το 2022.

Μελλοντικά ευρήματα

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης μπορεί να ισχύουν για άλλους τύπους αντιδράσεων και άλλους καταλύτες εκτός από τον χαλκό. Αυτά τα ευρήματα και οι διαδικασίες και οι τεχνικές που οδήγησαν τους επιστήμονες εκεί θα μπορούσαν να βρουν το δρόμο τους σε σχετική έρευνα. Τα οξείδια μετάλλων χρησιμοποιούνται ευρέως ως καταλύτες οι ίδιοι ή συστατικά σε καταλύτες. Ο συντονισμός του σχηματισμού υπεροξειδίου σε άλλα οξείδια θα μπορούσε να είναι ένας τρόπος αποκλεισμού ή ενίσχυσης των επιφανειακών αντιδράσεων κατά τη διάρκεια άλλων καταλυτικών διεργασιών. «Εμπλέκομαι σε κάποια άλλα έργα που σχετίζονται με τον χαλκό και τα οξείδια του χαλκού, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα σε μεθανόλη για χρήση ως καύσιμο για καθαρή ενέργεια», είπε ο Head. «Η εξέταση αυτών των υπεροξειδίων στην ίδια επιφάνεια που χρησιμοποιώ έχει τη δυνατότητα να επηρεάσει άλλα έργα που χρησιμοποιούν χαλκό και άλλα οξείδια μετάλλων».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php