धातु ऑक्साइड प्रतिक्रियाओं में सहकर्मी के लिए वैज्ञानिक पेरोक्साइड का उपयोग करते हैं

अप्रैल 07, 2023 (नानावरक न्यूज़) बिंघमटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कॉपर ऑक्साइड की सतह पर पेरोक्साइड कैसे होता है, इस पर बेहतर नज़र डालने के लिए ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) के विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा कार्यालय - सेंटर फॉर फंक्शनल नैनोमटेरियल्स (सीएफएन) के साथ अनुसंधान साझेदारी का नेतृत्व किया। हाइड्रोजन के ऑक्सीकरण को बढ़ावा देते हैं लेकिन कार्बन मोनोऑक्साइड के ऑक्सीकरण को रोकते हैं, जिससे उन्हें ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को चलाने की अनुमति मिलती है। वे इन त्वरित परिवर्तनों को दो मानार्थ स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों के साथ देखने में सक्षम थे जिनका इस तरह से उपयोग नहीं किया गया है। इस कार्य के परिणाम पत्रिका में प्रकाशित किये गये हैं नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही ("पेरोक्साइड प्रजातियों द्वारा ऑक्साइड की सतह प्रतिक्रियाशीलता को ट्यून करना"). सीएफएन के सामग्री वैज्ञानिक एनीबल बोस्कोबोइनिक ने बताया, "तांबा उत्प्रेरण और संक्षारण विज्ञान दोनों में सबसे अधिक अध्ययन और प्रासंगिक सतहों में से एक है।" "उद्योग में उपयोग किए जाने वाले कई यांत्रिक हिस्से तांबे से बने होते हैं, इसलिए संक्षारण प्रक्रियाओं के इस तत्व को समझने की कोशिश करना बहुत महत्वपूर्ण है।" सीएफएन में सामग्री वैज्ञानिक एशले हेड ने कहा, "मुझे हमेशा तांबे की प्रणालियों को देखना पसंद है।" "उनके पास ऐसे दिलचस्प गुण और प्रतिक्रियाएं हैं, जिनमें से कुछ वास्तव में आश्चर्यजनक हैं।" ऑक्साइड उत्प्रेरकों की बेहतर समझ प्राप्त करने से शोधकर्ताओं को उनके द्वारा उत्पादित रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर अधिक नियंत्रण मिलता है, जिसमें स्वच्छ ऊर्जा के समाधान भी शामिल हैं। उदाहरण के लिए, तांबा, मेथनॉल को उत्प्रेरक रूप से बना सकता है और मूल्यवान ईंधन में परिवर्तित कर सकता है, इसलिए तांबे पर ऑक्सीजन की मात्रा और इलेक्ट्रॉनों की संख्या को नियंत्रित करने में सक्षम होना कुशल रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।

प्रॉक्सी के रूप में पेरोक्साइड

पेरोक्साइड रासायनिक यौगिक होते हैं जिनमें साझा इलेक्ट्रॉनों द्वारा जुड़े दो ऑक्सीजन परमाणु होते हैं। पेरोक्साइड में बंधन काफी कमजोर होता है, जिससे अन्य रसायन इसकी संरचना को बदल देते हैं, जिससे वे बहुत प्रतिक्रियाशील हो जाते हैं। इस प्रयोग में, वैज्ञानिक विभिन्न गैसों से बनी पेरोक्साइड प्रजातियों की संरचना की पहचान करके ऑक्सीकृत तांबे की सतह (CuO) पर उत्प्रेरक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के रेडॉक्स चरणों को बदलने में सक्षम थे: O2 (ऑक्सीजन), एच2 (हाइड्रोजन), और CO (कार्बन मोनोऑक्साइड)। बाइंडिंग ऊर्जा और कॉपर ऑक्साइड (CuO) पर पेरोक्साइड (OO) के गठन का स्थान। (छवि: बीएनएल) रेडॉक्स कमी और ऑक्सीकरण का एक संयोजन है। इस प्रक्रिया में, ऑक्सीकरण एजेंट एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है और कम करने वाला एजेंट एक इलेक्ट्रॉन खो देता है। जब इन विभिन्न पेरोक्साइड प्रजातियों की तुलना की गई और ये चरण कैसे चले, तो शोधकर्ताओं ने पाया कि पेरोक्साइड की एक सतह परत ने एच के पक्ष में CuO रिड्यूसिबिलिटी को काफी बढ़ा दिया।2 ऑक्सीकरण. उन्होंने यह भी पाया कि, दूसरी ओर, यह CO (कार्बन मोनोऑक्साइड) ऑक्सीकरण के खिलाफ CuO की कमी को दबाने के लिए अवरोधक के रूप में कार्य करता है। उन्होंने पाया कि दो ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं पर पेरोक्साइड का यह विपरीत प्रभाव उन सतह साइटों के संशोधन से उत्पन्न होता है जहां प्रतिक्रिया होती है। इन बॉन्डिंग साइटों को ढूंढकर और यह सीखकर कि वे ऑक्सीकरण को कैसे बढ़ावा देते हैं या रोकते हैं, वैज्ञानिक इन गैसों का उपयोग इस बात पर अधिक नियंत्रण पाने के लिए कर सकते हैं कि ये प्रतिक्रियाएं कैसे होती हैं। हालाँकि, इन प्रतिक्रियाओं को व्यवस्थित करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह स्पष्ट रूप से देखना था कि क्या हो रहा था।

कार्य के लिए सही उपकरण

इस प्रतिक्रिया का अध्ययन कर रहे हैं साइट पर टीम के लिए महत्वपूर्ण था, क्योंकि पेरोक्साइड बहुत प्रतिक्रियाशील होते हैं और ये परिवर्तन तेजी से होते हैं। सही उपकरण या वातावरण के बिना, सतह पर ऐसे सीमित क्षण को पकड़ना कठिन है। तांबे की सतहों पर पेरोक्साइड प्रजातियों को अतीत में इन-सीटू इंफ्रारेड (आईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके कभी नहीं देखा गया था। इस तकनीक के साथ, शोधकर्ता प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत विकिरण को अवशोषित या प्रतिबिंबित करने के तरीके को देखकर किसी सामग्री के रासायनिक गुणों की बेहतर समझ प्राप्त करने के लिए अवरक्त विकिरण का उपयोग करते हैं। इस प्रयोग में, वैज्ञानिक पेरोक्साइड की "प्रजातियों" को अलग करने में सक्षम थे, उनके द्वारा ले जाई जा रही ऑक्सीजन में बहुत मामूली बदलाव के साथ, जिसे अन्यथा धातु ऑक्साइड सतह पर पहचानना बहुत कठिन होता। “जब मैं सतह पर इन पेरोक्साइड प्रजातियों के इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा को देख रहा था और देख रहा था कि वहां बहुत सारे प्रकाशन नहीं थे, तो मैं वास्तव में उत्साहित हो गया। यह रोमांचक था कि हम इन अंतरों को एक ऐसी तकनीक का उपयोग करके देख सकते थे जो इस प्रकार की प्रजातियों पर व्यापक रूप से लागू नहीं होती है, ”हेड ने याद किया। हालाँकि, आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी अपने आप में आश्वस्त होने के लिए पर्याप्त नहीं थी, यही कारण है कि टीम ने परिवेश दबाव एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) नामक एक अन्य स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक का भी उपयोग किया। नमूने से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए XPS कम ऊर्जा वाले एक्स-रे का उपयोग करता है। इन इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा वैज्ञानिकों को नमूने में परमाणुओं के रासायनिक गुणों के बारे में सुराग देती है। सीएफएन उपयोगकर्ता कार्यक्रम के माध्यम से दोनों तकनीकों का उपलब्ध होना इस शोध को संभव बनाने के लिए महत्वपूर्ण था। बोस्कोबोइनिक ने कहा, "जिन चीज़ों पर हमें गर्व है उनमें से एक वे उपकरण हैं जो हमारे पास हैं और जिन्हें हमने यहां संशोधित किया है।" “हमारे उपकरण जुड़े हुए हैं, इसलिए उपयोगकर्ता इन दो तकनीकों के बीच एक नियंत्रित वातावरण में नमूना ले जा सकते हैं और पूरक जानकारी प्राप्त करने के लिए उनका अध्ययन कर सकते हैं। अधिकांश अन्य परिस्थितियों में, उपयोगकर्ता को एक अलग उपकरण पर जाने के लिए नमूना लेना होगा, और पर्यावरण में परिवर्तन इसकी सतह को बदल सकता है। थॉमस जे. वॉटसन कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस के प्रोफेसर गुआंगवेन झोउ ने कहा, "सीएफएन की एक अच्छी विशेषता न केवल विज्ञान के लिए इसकी अत्याधुनिक सुविधाओं में निहित है, बल्कि यह युवा शोधकर्ताओं को प्रशिक्षित करने के अवसर भी प्रदान करती है।" बिंघमटन विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग विभाग और सामग्री विज्ञान कार्यक्रम। "इसमें शामिल प्रत्येक छात्र को सीएफएन पर उपलब्ध माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी उपकरणों में व्यापक, व्यावहारिक अनुभव से लाभ हुआ है।" यह काम झोउ के समूह में चार पीएचडी छात्रों के योगदान से पूरा हुआ: यागुआंग झू और जियानयु वांग, इस पेपर के पहले सह-लेखक, और श्याम पटेल और चाओरन ली। ये सभी छात्र अपने करियर के शुरुआती दौर में हैं, जिन्होंने हाल ही में 2022 में अपनी पीएचडी अर्जित की है।

भविष्य की खोजें

इस अध्ययन के परिणाम तांबे के अलावा अन्य प्रकार की प्रतिक्रियाओं और अन्य उत्प्रेरकों पर भी लागू हो सकते हैं। ये निष्कर्ष और प्रक्रियाएं और तकनीकें जो वैज्ञानिकों को वहां ले गईं, वे संबंधित अनुसंधान में अपना रास्ता खोज सकती हैं। धातु ऑक्साइड का व्यापक रूप से उत्प्रेरक के रूप में या उत्प्रेरक में घटकों के रूप में उपयोग किया जाता है। अन्य ऑक्साइड पर पेरोक्साइड गठन को ट्यून करना अन्य उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के दौरान सतह प्रतिक्रियाओं को अवरुद्ध करने या बढ़ाने का एक तरीका हो सकता है। हेड ने कहा, "मैं तांबे और तांबे के ऑक्साइड से संबंधित कुछ अन्य परियोजनाओं में शामिल हूं, जिसमें स्वच्छ ऊर्जा के लिए ईंधन के रूप में उपयोग करने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को मेथनॉल में बदलना शामिल है।" "इन पेरोक्साइड को उसी सतह पर देखने से जिसका मैं उपयोग करता हूं, तांबे और अन्य धातु ऑक्साइड का उपयोग करने वाली अन्य परियोजनाओं पर प्रभाव डालने की क्षमता है।"

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