دانشمندان از پراکسید برای بررسی واکنش های اکسید فلزی استفاده می کنند

07 آوریل 2023 (اخبار نانوورکمحققان دانشگاه بینگهامتون با همکاری مرکز نانومواد عملکردی (CFN) - یکی از تأسیسات کاربری علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی بروکهاون - همکاری کردند تا نگاهی بهتر به نحوه پراکسیدها روی سطح اکسید مس داشته باشند. اکسیداسیون هیدروژن را تقویت می کند اما اکسیداسیون مونوکسید کربن را مهار می کند و به آنها اجازه می دهد تا واکنش های اکسیداسیون را هدایت کنند. آنها توانستند این تغییرات سریع را با دو روش طیف‌سنجی تکمیلی که به این روش استفاده نشده است، مشاهده کنند. نتایج این کار در مجله منتشر شده است مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (تنظیم واکنش‌پذیری سطحی اکسیدها توسط گونه‌های پراکسید). Anibal Boscoboinik، دانشمند مواد در CFN توضیح داد: «مس یکی از سطوح مورد مطالعه و مرتبط، هم در کاتالیز و هم در علم خوردگی است. بسیاری از قطعات مکانیکی که در صنعت استفاده می شود از مس ساخته شده اند، بنابراین تلاش برای درک این عنصر از فرآیندهای خوردگی بسیار مهم است. اشلی هد همچنین یک دانشمند مواد در CFN گفت: "من همیشه دوست داشتم به سیستم های مس نگاه کنم." آنها دارای خواص و واکنش های جالبی هستند که برخی از آنها واقعاً قابل توجه است. به دست آوردن درک بهتر از کاتالیزورهای اکسید به محققان کنترل بیشتری بر واکنش های شیمیایی تولید شده از جمله راه حل هایی برای انرژی پاک می دهد. به عنوان مثال، مس می تواند به طور کاتالیزوری متانول را تشکیل داده و به سوخت های با ارزش تبدیل کند، بنابراین توانایی کنترل مقدار اکسیژن و تعداد الکترون های روی مس یک گام کلیدی برای واکنش های شیمیایی کارآمد است.

پراکسید به عنوان یک پروکسی

پراکسیدها ترکیبات شیمیایی هستند که حاوی دو اتم اکسیژن هستند که توسط الکترون های مشترک به هم متصل شده اند. پیوند موجود در پراکسیدها نسبتاً ضعیف است و به سایر مواد شیمیایی اجازه می‌دهد تا ساختار آن را تغییر دهند، که آنها را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند. در این آزمایش، دانشمندان توانستند مراحل ردوکس واکنش‌های اکسیداسیون کاتالیزوری را روی سطح مس اکسید شده (CuO) با شناسایی ترکیب گونه‌های پراکسید تشکیل‌شده با گازهای مختلف تغییر دهند:2 (اکسیژن)، H2 (هیدروژن) و CO (مونوکسید کربن). انرژی اتصال و محل تشکیل پراکسید (OO) روی اکسید مس (CuO). (تصویر: BNL) ردوکس ترکیبی از احیا و اکسیداسیون است. در این فرآیند، عامل اکسید کننده یک الکترون به دست می آورد و عامل احیا کننده یک الکترون از دست می دهد. هنگام مقایسه این گونه های مختلف پراکسید و نحوه انجام این مراحل، محققان دریافتند که یک لایه سطحی پراکسید به طور قابل توجهی کاهش پذیری CuO را به نفع H افزایش می دهد.2 اکسیداسیون آنها همچنین دریافتند که از سوی دیگر، به عنوان یک بازدارنده برای سرکوب کاهش CuO در برابر اکسیداسیون CO (مونوکسید کربن) عمل می کند. آنها دریافتند که این اثر متضاد پراکسید بر روی دو واکنش اکسیداسیون ناشی از تغییر مکان‌های سطحی است که در آن واکنش انجام می‌شود. دانشمندان با یافتن این محل‌های پیوند و یادگیری چگونگی ترویج یا مهار اکسیداسیون، می‌توانند از این گازها برای به دست آوردن کنترل بیشتر بر نحوه انجام این واکنش‌ها استفاده کنند. با این حال، برای تنظیم این واکنش‌ها، دانشمندان باید نگاهی روشن به آنچه در حال رخ دادن است می‌دیدند.

ابزار مناسب برای کار

مطالعه این واکنش در محل برای تیم مهم بود، زیرا پراکسیدها بسیار واکنش پذیر هستند و این تغییرات سریع اتفاق می افتد. بدون ابزار یا محیط مناسب، گرفتن چنین لحظه محدودی روی سطح دشوار است. گونه های پراکسید روی سطوح مس هرگز با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز درجا (IR) در گذشته مشاهده نشد. با استفاده از این تکنیک، محققان از تابش مادون قرمز برای درک بهتر خواص شیمیایی یک ماده با مشاهده نحوه جذب یا انعکاس تابش در شرایط واکنش استفاده می کنند. در این آزمایش، دانشمندان توانستند «گونه‌های» پراکسید را با تغییرات بسیار جزئی در اکسیژنی که حمل می‌کردند، متمایز کنند، که در غیر این صورت تشخیص آن بر روی سطح اکسید فلزی بسیار سخت بود. زمانی که طیف های فروسرخ این گونه های پراکسید را روی یک سطح جستجو می کردم و مشاهده می کردم که انتشارات زیادی وجود ندارد، واقعا هیجان زده شدم. هد به یاد می آورد که ما می توانیم این تفاوت ها را با استفاده از تکنیکی که به طور گسترده در این گونه گونه ها به کار نمی رود، ببینیم، هیجان انگیز بود. طیف‌سنجی IR به تنهایی برای اطمینان کافی نبود، به همین دلیل است که تیم از تکنیک طیف‌سنجی دیگری به نام طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس با فشار محیط (XPS) استفاده کرد. XPS از اشعه ایکس با انرژی کمتر برای خروج الکترون ها از نمونه استفاده می کند. انرژی این الکترون ها سرنخ هایی در مورد خواص شیمیایی اتم های نمونه به دانشمندان می دهد. وجود هر دو تکنیک در دسترس از طریق برنامه کاربر CFN برای امکان‌پذیر کردن این تحقیق کلیدی بود. Boscoboinik گفت: "یکی از چیزهایی که ما به آن افتخار می کنیم، سازهایی است که در اینجا داریم و اصلاح کرده ایم." "ابزارهای ما به هم متصل هستند، بنابراین کاربران می توانند نمونه را در یک محیط کنترل شده بین این دو تکنیک جابه جا کنند و آنها را در محل مطالعه کنند تا اطلاعات تکمیلی به دست آورند. در اکثر شرایط دیگر، کاربر باید نمونه را بیرون بیاورد تا به ابزار دیگری برود و این تغییر محیط می‌تواند سطح آن را تغییر دهد. پروفسور گوانگ ون ژو در کالج مهندسی و علوم کاربردی توماس جی واتسون گفت: «ویژگی خوب CFN نه تنها در امکانات پیشرفته آن برای علم، بلکه فرصت هایی است که برای آموزش محققان جوان فراهم می کند. گروه مهندسی مکانیک و برنامه علوم مواد در دانشگاه بینگهمتون. "هر یک از دانش آموزان درگیر از تجربه گسترده و عملی در ابزارهای میکروسکوپ و طیف سنجی موجود در CFN بهره مند شده اند." این کار با مشارکت چهار دانشجوی دکترا در گروه ژو انجام شد: یاگوانگ ژو و جیانیو وانگ، اولین نویسندگان مشترک این مقاله، و شیام پاتل و چائوران لی. همه این دانشجویان در ابتدای کار خود هستند و به تازگی مدرک دکترای خود را در سال 2022 به دست آورده اند.

یافته های آینده

نتایج این مطالعه ممکن است برای انواع دیگر واکنش ها و سایر کاتالیزورها به غیر از مس اعمال شود. این یافته‌ها و فرآیندها و تکنیک‌هایی که دانشمندان را به آنجا سوق داد، می‌توانند راه‌های خود را برای تحقیقات مرتبط بیابند. اکسیدهای فلزی به طور گسترده به عنوان خود کاتالیزور یا اجزای سازنده کاتالیزورها استفاده می شوند. تنظیم تشکیل پراکسید روی اکسیدهای دیگر می تواند راهی برای مسدود کردن یا تقویت واکنش های سطحی در طول سایر فرآیندهای کاتالیزوری باشد. هد گفت: «من در پروژه‌های دیگر مرتبط با مس و اکسیدهای مس، از جمله تبدیل دی اکسید کربن به متانول برای استفاده به عنوان سوخت برای انرژی پاک، مشارکت دارم. نگاه کردن به این پراکسیدها روی همان سطحی که من استفاده می کنم، این پتانسیل را دارد که روی پروژه های دیگر با استفاده از مس و سایر اکسیدهای فلزی تأثیر بگذارد.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php