A tudósok peroxidot használnak a fém-oxid reakciókba való betekintésre

07. április 2023. (Nanowerk News) A Binghamton Egyetem kutatói a Funkcionális Nanomaterials Központtal (CFN) – az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) a Brookhaven National Laboratory Tudományos Hivatalának felhasználói létesítményével – együttműködve vezették a kutatást, hogy jobban belássák, hogyan képződnek peroxidok a réz-oxid felületén. elősegítik a hidrogén oxidációját, de gátolják a szén-monoxid oxidációját, lehetővé téve az oxidációs reakciók irányítását. Ezeket a gyors változásokat két olyan komplementer spektroszkópiai módszerrel tudták megfigyelni, amelyeket ilyen módon nem alkalmaztak. A munka eredményeit a folyóiratban tették közzé Proceedings of the National Academy of Sciences („Az oxidok felületi reaktivitásának hangolása peroxidfajokkal”). Anibal Boscoboinik, a CFN anyagtudósa, a réz az egyik leginkább tanulmányozott és releváns felület, mind a katalízis, mind a korróziótudomány területén. „Az iparban használt mechanikai alkatrészek közül sok rézből készül, ezért nagyon fontos, hogy megértsük a korróziós folyamatok ezen elemét.” „Mindig is szerettem a rézrendszereket nézegetni” – mondta Ashley Head, aki szintén a CFN anyagtudósa. "Olyan érdekes tulajdonságaik és reakcióik vannak, amelyek közül néhány igazán feltűnő." Az oxidkatalizátorok jobb megértése lehetővé teszi a kutatók számára, hogy jobban kézben tartsák az általuk előidézett kémiai reakciókat, beleértve a tiszta energia megoldásait is. A réz például katalitikusan képes metanolt képezni és értékes tüzelőanyaggá alakítani, így az oxigén mennyiségének és a réz elektronszámának szabályozása kulcsfontosságú lépés a hatékony kémiai reakciókhoz.

A peroxid mint proxy

A peroxidok olyan kémiai vegyületek, amelyek két oxigénatomot tartalmaznak, amelyeket közös elektronok kapcsolnak össze. A peroxidokban lévő kötés meglehetősen gyenge, így más vegyszerek is megváltoztathatják a szerkezetét, ami nagyon reakcióképessé teszi őket. Ebben a kísérletben a tudósok képesek voltak megváltoztatni a katalitikus oxidációs reakciók redox lépéseit egy oxidált rézfelületen (CuO) azáltal, hogy azonosították a különböző gázokkal képződött peroxidfajták összetételét: O2 (oxigén), H2 (hidrogén) és CO (szén-monoxid). Kötési energia és a peroxid (OO) képződés helye réz-oxidon (CuO). (Kép: BNL) A redox redukció és oxidáció kombinációja. Ebben a folyamatban az oxidálószer egy elektront nyer, a redukálószer pedig egy elektront veszít. A különböző peroxidfajták és ezeknek a lépéseknek az összehasonlítása során a kutatók azt találták, hogy a peroxid felületi rétege jelentősen javította a CuO redukálhatóságát a H javára.2 oxidáció. Azt is megállapították, hogy másrészt gátolja a CuO redukcióját a CO (szén-monoxid) oxidációjával szemben. Azt találták, hogy a peroxidnak a két oxidációs reakcióra gyakorolt ​​ellentétes hatása a reakció végbemenetelének felületi helyek módosulásából ered. Azáltal, hogy megtalálják ezeket a kötési helyeket, és megtanulják, hogyan segítik elő vagy gátolják az oxidációt, a tudósok felhasználhatják ezeket a gázokat, hogy jobban ellenőrizzék e reakciók lefolyását. A reakciók hangolásához azonban a tudósoknak tisztán kellett látniuk, mi történik.

A megfelelő eszközök a munkához

Ennek a reakciónak a tanulmányozása in situ fontos volt a csapat számára, mivel a peroxidok nagyon reaktívak, és ezek a változások gyorsan bekövetkeznek. Megfelelő eszközök vagy környezet nélkül nehéz elkapni egy ilyen korlátozott pillanatot a felszínen. A múltban in situ infravörös (IR) spektroszkópiával soha nem figyeltek meg peroxidfajtákat rézfelületeken. Ezzel a technikával a kutatók infravörös sugárzást használnak annak érdekében, hogy jobban megértsék az anyag kémiai tulajdonságait, megvizsgálva a sugárzás elnyelődését vagy visszaverődését a reakciókörülmények között. Ebben a kísérletben a tudósok képesek voltak megkülönböztetni a peroxid „fajait”, az általuk szállított oxigén nagyon csekély eltéréseivel, amelyeket egyébként nagyon nehéz lett volna azonosítani egy fémoxid felületén. „Nagyon izgatott lettem, amikor egy felületen megnéztem ezeknek a peroxidfajtáknak az infravörös spektrumát, és láttam, hogy nincs sok publikáció. Izgalmas volt, hogy láthattuk ezeket a különbségeket egy olyan technikával, amelyet nem széles körben alkalmaznak az ilyen fajoknál” – emlékezett vissza Head. Az infravörös spektroszkópia önmagában azonban nem volt elég a biztossághoz, ezért a csapat egy másik spektroszkópiai technikát is alkalmazott, az úgynevezett környezeti nyomású röntgen fotoelektronspektroszkópiát (XPS). Az XPS alacsonyabb energiájú röntgensugárzást használ az elektronok kiszorítására a mintából. Ezen elektronok energiája nyomokat ad a tudósoknak a mintában lévő atomok kémiai tulajdonságairól. A kutatás lehetővé tételéhez kulcsfontosságú volt, hogy mindkét technika elérhetővé vált a CFN felhasználói programon keresztül. „Az egyik dolog, amire büszkék vagyunk, az az itt található és módosított műszer” – mondta Boscoboinik. „Műszereink össze vannak kötve, így a felhasználók ellenőrzött környezetben mozgathatják a mintát a két technika között, és in situ tanulmányozhatják őket, hogy kiegészítő információkat kapjanak. A legtöbb esetben a felhasználónak ki kell vennie a mintát, hogy egy másik műszerhez menjen, és ez a környezetváltozás megváltoztathatja a felületét. „A CFN jó tulajdonsága nemcsak a legkorszerűbb tudományos létesítményekben rejlik, hanem a fiatal kutatók képzésének lehetőségeiben is” – mondta Guangwen Zhou professzor, a Thomas J. Watson Műszaki és Alkalmazott Tudományos Főiskola professzora. A Binghamton Egyetem Gépészmérnöki Tanszéke és az Anyagtudományi program. "Minden résztvevő diák széleskörű, gyakorlati tapasztalattal rendelkezik a CFN-nél elérhető mikroszkópos és spektroszkópiai eszközök terén." Ezt a munkát Zhou csoportjában négy PhD hallgató közreműködésével végezték el: Yaguang Zhu és Jianyu Wang, a cikk első társszerzői, valamint Shyam Patel és Chaoran Li. Mindezek a hallgatók pályafutásuk elején járnak, 2022-ben szerezték meg PhD fokozatukat.

Jövőbeli megállapítások

A vizsgálat eredményei a rézen kívül más típusú reakciókra és más katalizátorokra is vonatkozhatnak. Ezek az eredmények, valamint azok a folyamatok és technikák, amelyek a tudósokat odavezették, utat találhatnak a kapcsolódó kutatásokba. A fém-oxidokat széles körben használják maguk katalizátorként vagy a katalizátorok komponenseiként. A peroxid képződésének más oxidokon történő hangolása módot jelenthet a felületi reakciók blokkolására vagy fokozására más katalitikus folyamatok során. „Részt veszek néhány más, a rézzel és réz-oxiddal kapcsolatos projektben, beleértve a szén-dioxid metanollá történő átalakítását, hogy tiszta energia tüzelőanyaga legyen” – mondta Head. "Ha ezeket a peroxidokat ugyanazon a felületen nézem, amelyet használok, hatással lehet más projektekre, amelyek rezet és más fém-oxidokat használnak."

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php