Teadlased kasutavad peroksiidi metallioksiidi reaktsioonide uurimiseks

07. aprill 2023 (Nanowerki uudised) Binghamtoni ülikooli teadlased tegid koostööd CFN-ga (USA energeetikaministeeriumi (DOE) Brookhaveni riikliku labori teadusbüroo kasutajate keskusega) koostöös funktsionaalsete nanomaterjalide keskusega, et saada paremat ülevaadet vaskoksiidi pinnal peroksiididest. soodustavad vesiniku oksüdatsiooni, kuid pärsivad süsinikmonooksiidi oksüdatsiooni, võimaldades neil juhtida oksüdatsioonireaktsioone. Nad suutsid neid kiireid muutusi jälgida kahe tasuta spektroskoopiameetodiga, mida sel viisil ei kasutatud. Selle töö tulemused on avaldatud ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences ("Oksiidide pinnareaktiivsuse häälestamine peroksiidiliikide abil"). "Vask on üks enim uuritud ja olulisemaid pindu nii katalüüsis kui ka korrosiooniteaduses," selgitas CFN-i materjaliteadlane Anibal Boscoboinik. "Nii paljud tööstuses kasutatavad mehaanilised osad on valmistatud vasest, seega on korrosiooniprotsesside selle elemendi mõistmine väga oluline." "Mulle on alati meeldinud vasksüsteemide vaatamine," ütles Ashley Head, kes on samuti CFN-i materjaliteadlane. "Neil on sellised huvitavad omadused ja reaktsioonid, millest mõned on tõesti silmatorkavad." Oksiidkatalüsaatorite parem mõistmine annab teadlastele suurema kontrolli nende tekitatud keemiliste reaktsioonide, sealhulgas puhta energia lahenduste üle. Näiteks võib vask katalüütiliselt moodustada ja muuta metanooli väärtuslikeks kütusteks, seega on hapniku hulga ja elektronide arvu kontrollimine vasel oluline samm tõhusate keemiliste reaktsioonide saavutamiseks.

Peroksiid puhverserverina

Peroksiidid on keemilised ühendid, mis sisaldavad kahte hapnikuaatomit, mis on ühendatud jagatud elektronidega. Peroksiidide side on üsna nõrk, võimaldades teistel kemikaalidel muuta selle struktuuri, mis muudab need väga reaktiivseks. Selles katses suutsid teadlased muuta katalüütiliste oksüdatsioonireaktsioonide redoksetappe oksüdeeritud vase pinnal (CuO), tuvastades erinevate gaasidega moodustunud peroksiidiliikide koostise: O2 (hapnik), H2 (vesinik) ja CO (süsinikoksiid). Seondumisenergia ja peroksiidi (OO) moodustumise asukoht vaskoksiidil (CuO). (Pilt: BNL) Redoks on redutseerimise ja oksüdatsiooni kombinatsioon. Selles protsessis omandab oksüdeerija elektroni ja redutseerija kaotab elektroni. Nende erinevate peroksiidiliikide ja nende sammude võrdlemisel leidsid teadlased, et peroksiidi pinnakiht suurendas oluliselt CuO redutseeritavust H kasuks.2 oksüdatsioon. Samuti leidsid nad, et teisest küljest toimis see inhibiitorina, et pärssida CuO redutseerimist CO (süsinikmonooksiidi) oksüdatsiooni vastu. Nad leidsid, et see peroksiidi vastandlik mõju kahele oksüdatsioonireaktsioonile tuleneb reaktsiooni toimumiskoha pinna muutustest. Leides need sidumiskohad ja õppides, kuidas need soodustavad või pärsivad oksüdatsiooni, saavad teadlased neid gaase kasutada, et saada rohkem kontrolli nende reaktsioonide üle. Nende reaktsioonide häälestamiseks pidid teadlased aga toimuvale selge ülevaate saama.

Õiged tööriistad tööks

Selle reaktsiooni uurimine kohapealne oli meeskonna jaoks oluline, kuna peroksiidid on väga reaktiivsed ja need muutused toimuvad kiiresti. Ilma õigete tööriistade või keskkonnata on nii piiratud hetke pinnal raske tabada. Varem ei täheldatud in situ infrapuna (IR) spektroskoopia abil vasepindade peroksiidi liike. Selle tehnika abil kasutavad teadlased infrapunakiirgust, et saada paremini aru materjali keemilistest omadustest, vaadates seda, kuidas kiirgus reaktsioonitingimustes neeldub või peegeldub. Selles katses suutsid teadlased eristada peroksiidi "liike", mille hapnikusisaldus oli väga väike ja mida muidu oleks olnud metalloksiidi pinnal väga raske tuvastada. „Sain väga elevil, kui uurisin pinnalt nende peroksiidiliikide infrapunaspektreid ja nägin, et väljaandeid pole palju. Oli põnev, et nägime neid erinevusi tehnikaga, mida seda tüüpi liikide puhul laialdaselt ei kasutata,” meenutas Head. IR-spektroskoopiast üksi ei piisanud, et olla kindel, mistõttu kasutas meeskond ka teist spektroskoopia tehnikat, mida nimetatakse ümbritseva rõhu röntgenkiirguse fotoelektronspektroskoopiaks (XPS). XPS kasutab elektronide proovist välja tõrjumiseks madalama energiaga röntgenikiirgust. Nende elektronide energia annab teadlastele vihjeid proovis olevate aatomite keemiliste omaduste kohta. Mõlema tehnika kättesaadavus CFN-i kasutajaprogrammi kaudu oli selle uurimistöö võimalikuks muutmisel võtmetähtsusega. "Üks asi, mille üle oleme uhked, on instrumendid, mis meil siin on ja mida oleme siin modifitseerinud," ütles Boscoboinik. "Meie instrumendid on ühendatud, nii et kasutajad saavad proovi kontrollitud keskkonnas nende kahe tehnika vahel liigutada ja neid kohapeal uurida, et saada täiendavat teavet. Enamikul muudel juhtudel peab kasutaja proovi välja võtma, et minna teise seadme juurde, ja see keskkonnamuutus võib selle pinda muuta. "CFNi kena omadus ei seisne mitte ainult selle tipptasemel teadusrajatistes, vaid ka noorte teadlaste koolitamise võimalustes," ütles Thomas J. Watsoni tehnika- ja rakendusteaduste kolledži professor Guangwen Zhou. Binghamtoni ülikooli masinaehituse osakond ja materjaliteaduse programm. "Kõik kaasatud õpilased on saanud kasu ulatuslikust praktilisest kogemusest CFN-is saadaolevate mikroskoopia ja spektroskoopia tööriistade alal." See töö tehti nelja Zhou rühma doktorandi panusega: Yaguang Zhu ja Jianyu Wang, selle artikli esimesed kaasautorid ning Shyam Patel ja Chaoran Li. Kõik need üliõpilased on oma karjääri alguses, omandades just 2022. aastal doktorikraadi.

Tuleviku leiud

Selle uuringu tulemused võivad kehtida ka muud tüüpi reaktsioonide ja muude katalüsaatorite kohta peale vase. Need leiud ning protsessid ja tehnikad, mis teadlasi sinna viisid, võiksid leida tee seotud uurimistöösse. Metalloksiide kasutatakse laialdaselt katalüsaatoritena või katalüsaatorite komponentidena. Teiste oksiidide peroksiidi moodustumise häälestamine võib olla viis pinnareaktsioonide blokeerimiseks või tugevdamiseks muude katalüütiliste protsesside ajal. "Olen seotud mõne muu vase ja vaskoksiididega seotud projektiga, sealhulgas süsinikdioksiidi muutmisega metanooliks, et kasutada seda puhta energia kütusena," ütles Head. "Nende peroksiidide vaatamine samal pinnal, mida ma kasutan, võib avaldada mõju teistele projektidele, mis kasutavad vaske ja muid metallioksiide."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php