Tutkijat käyttävät peroksidia tutkiakseen metallioksidireaktioita

07. huhtikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Binghamtonin yliopiston tutkijat johtivat tutkimusyhteistyötä Center for Functional Nanomaterials (CFN) – Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tiedetoimiston Brookhaven National Laboratoryn käyttäjälaitoksen – kanssa saadakseen paremman kuvan siitä, kuinka peroksidit muodostuvat kuparioksidin pinnalla. edistävät vedyn hapettumista, mutta estävät hiilimonoksidin hapettumista, jolloin ne voivat ohjata hapettumisreaktioita. He pystyivät tarkkailemaan näitä nopeita muutoksia kahdella toisiaan täydentävällä spektroskopiamenetelmällä, joita ei ole käytetty tällä tavalla. Tämän työn tulokset on julkaistu lehdessä Proceedings of National Academy of Sciences ("Oksidien pintareaktiivisuuden virittäminen peroksidilajeilla"). "Kupari on yksi tutkituimmista ja merkityksellisimmistä pinnoista sekä katalyysissä että korroosiotieteen alalla", selittää Anibal Boscoboinik, materiaalitutkija CFN:stä. "Niin monet teollisuudessa käytetyt mekaaniset osat on valmistettu kuparista, joten tämän korroosioprosessin elementin ymmärtäminen on erittäin tärkeää." "Olen aina pitänyt kuparijärjestelmien katselusta", sanoi Ashley Head, joka on myös materiaalitutkija CFN:stä. "Heillä on niin mielenkiintoisia ominaisuuksia ja reaktioita, joista jotkut ovat todella silmiinpistäviä." Oksidikatalyyttien parempi ymmärtäminen antaa tutkijoille paremman hallinnan tuottamiinsa kemiallisiin reaktioihin, mukaan lukien puhtaan energian ratkaisut. Esimerkiksi kupari voi katalyyttisesti muodostaa ja muuntaa metanolia arvokkaiksi polttoaineiksi, joten hapen määrän ja elektronien määrän hallinta kuparissa on avainaskel tehokkaisiin kemiallisiin reaktioihin.

Peroksidi välityspalvelimena

Peroksidit ovat kemiallisia yhdisteitä, jotka sisältävät kaksi happiatomia, jotka on yhdistetty yhteisillä elektroneilla. Peroksidien sidos on melko heikko, jolloin muut kemikaalit voivat muuttaa sen rakennetta, mikä tekee niistä erittäin reaktiivisia. Tässä kokeessa tutkijat pystyivät muuttamaan katalyyttisten hapetusreaktioiden redox-vaiheita hapetetun kuparin pinnalla (CuO) tunnistamalla eri kaasujen kanssa muodostuneiden peroksidilajien koostumuksen: O2 (happi), H2 (vety) ja CO (hiilimonoksidi). Sitoutumisenergia ja peroksidin (OO) muodostumisen sijainti kuparioksidilla (CuO). (Kuva: BNL) Redox on pelkistyksen ja hapettumisen yhdistelmä. Tässä prosessissa hapettava aine saa elektronin ja pelkistävä aine menettää elektronin. Kun verrattiin näitä eri peroksidilajeja ja näiden vaiheiden toteutumista, tutkijat havaitsivat, että peroksidin pintakerros paransi merkittävästi CuO:n pelkistymistä H:n hyväksi.2 hapettumista. He havaitsivat myös, että toisaalta se toimi estäjänä estämään CuO:n pelkistymistä CO (hiilimonoksidin) hapettumista vastaan. He havaitsivat, että tämä peroksidin päinvastainen vaikutus kahteen hapetusreaktioon johtuu niiden pintakohtien muuttamisesta, joissa reaktio tapahtuu. Löytämällä nämä sidoskohdat ja oppimalla, kuinka ne edistävät tai estävät hapettumista, tutkijat voivat käyttää näitä kaasuja saadakseen paremman hallinnan näiden reaktioiden etenemiseen. Näiden reaktioiden säätämiseksi tutkijoiden oli kuitenkin saatava selkeä näkemys siitä, mitä tapahtui.

Oikeat työkalut työhön

Tämän reaktion tutkiminen on-site oli tärkeä joukkueelle, koska peroksidit ovat erittäin reaktiivisia ja nämä muutokset tapahtuvat nopeasti. Ilman oikeita työkaluja tai ympäristöä on vaikea saada kiinni näin rajallisesta hetkestä pinnalla. Peroksidilajeja kuparipinnoilla ei koskaan havaittu käyttämällä in situ infrapunaspektroskopiaa (IR) menneisyydessä. Tämän tekniikan avulla tutkijat käyttävät infrapunasäteilyä saadakseen paremman käsityksen materiaalin kemiallisista ominaisuuksista tarkastelemalla tapaa, jolla säteily absorboituu tai heijastuu reaktio-olosuhteissa. Tässä kokeessa tutkijat pystyivät erottamaan peroksidin "lajit" niiden kuljettaman hapen hyvin pienillä vaihteluilla, joita olisi muuten ollut erittäin vaikea tunnistaa metallioksidipinnalla. ”Innostuin todella, kun katsoin näiden peroksidilajien infrapunaspektrejä pinnalta ja huomasin, että julkaisuja ei ollut paljon. Oli jännittävää, että näimme nämä erot käyttämällä tekniikkaa, jota ei laajalti sovelleta tällaisiin lajeihin, Head muistelee. IR-spektroskopia yksinään ei kuitenkaan riittänyt varmuuden saamiseksi, minkä vuoksi ryhmä käytti myös toista spektroskopiatekniikkaa, jota kutsutaan ympäristön paineen röntgensädefotoelektronispektroskopiaksi (XPS). XPS käyttää alhaisemman energian röntgensäteitä potkaistakseen elektroneja ulos näytteestä. Näiden elektronien energia antaa tutkijoille vihjeitä näytteen atomien kemiallisista ominaisuuksista. Molempien tekniikoiden saaminen CFN-käyttäjäohjelman kautta oli avainasemassa tämän tutkimuksen mahdollistamiseksi. "Yksi niistä asioista, joista olemme ylpeitä, ovat instrumentit, joita meillä on ja joita olemme täällä muokkaaneet", Boscoboinik sanoi. ”Laitteemme ovat yhteydessä toisiinsa, joten käyttäjät voivat siirtää näytettä valvotussa ympäristössä näiden kahden tekniikan välillä ja tutkia niitä paikan päällä saadakseen täydentävää tietoa. Useimmissa muissa tapauksissa käyttäjän on otettava näyte päästäkseen toiseen instrumenttiin, ja tämä ympäristön muutos voi muuttaa sen pintaa." "Kiva CFN:n ominaisuus ei ole vain sen huippuluokan tieteen tilat, vaan myös sen tarjoamat mahdollisuudet kouluttaa nuoria tutkijoita", sanoi Guangwen Zhou professori Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science -yliopistosta. Binghamtonin yliopiston konetekniikan laitos ja materiaalitiedeohjelma. "Jokainen mukana olevista opiskelijoista on hyötynyt laajasta käytännön kokemuksesta CFN:n saatavilla olevista mikroskopia- ja spektroskopiatyökaluista." Tämä työ saavutettiin neljän Zhoun ryhmän tohtoriopiskelijan panoksilla: Yaguang Zhu ja Jianyu Wang, tämän artikkelin ensimmäiset kirjoittajat, sekä Shyam Patel ja Chaoran Li. Kaikki nämä opiskelijat ovat uransa alussa, ja he ovat juuri suorittaneet tohtorintutkintonsa vuonna 2022.

Tulevaisuuden löydöt

Tämän tutkimuksen tulokset voivat koskea muun tyyppisiä reaktioita ja muita katalyyttejä kuparin lisäksi. Nämä havainnot ja prosessit ja tekniikat, jotka johtivat tutkijat sinne, voisivat löytää tiensä asiaan liittyvään tutkimukseen. Metallioksideja käytetään laajalti katalyytteinä tai katalyyttien komponentteina. Peroksidin muodostuksen virittäminen muille oksideille voisi olla tapa estää tai tehostaa pintareaktioita muiden katalyyttisten prosessien aikana. "Olen mukana joissakin muissa kupariin ja kuparioksideihin liittyvissä projekteissa, mukaan lukien hiilidioksidin muuttaminen metanoliksi käytettäväksi puhtaan energian polttoaineena", Head sanoi. "Näiden peroksidien katseleminen samalla pinnalla, jota käytän, voi vaikuttaa muihin projekteihin, joissa käytetään kuparia ja muita metallioksideja."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php