Para ilmuwan menggunakan peroksida untuk mengintip reaksi oksida logam

07 Apr 2023 (Berita Nanowerk) Para peneliti di Universitas Binghamton memimpin penelitian yang bermitra dengan Center for Functional Nanomaterials (CFN)—Fasilitas Pengguna Kantor Sains Departemen Energi AS (DOE) di Brookhaven National Laboratory—untuk melihat lebih baik bagaimana peroksida pada permukaan oksida tembaga mempromosikan oksidasi hidrogen tetapi menghambat oksidasi karbon monoksida, yang memungkinkan mereka untuk mengarahkan reaksi oksidasi. Mereka dapat mengamati perubahan cepat ini dengan dua metode spektroskopi pelengkap yang belum pernah digunakan dengan cara ini. Hasil karya ini telah dipublikasikan di jurnal Prosiding National Academy of Sciences ("Menyetel reaktivitas permukaan oksida oleh spesies peroksida"). “Tembaga adalah salah satu permukaan yang paling banyak dipelajari dan relevan, baik dalam katalisis maupun ilmu korosi,” jelas Anibal Boscoboinik, ilmuwan material di CFN. “Begitu banyak bagian mekanis yang digunakan dalam industri terbuat dari tembaga, jadi mencoba memahami elemen proses korosi ini sangatlah penting.” “Saya selalu suka melihat sistem tembaga,” kata Ashley Head yang juga seorang ilmuwan material di CFN. "Mereka memiliki sifat dan reaksi yang sangat menarik, beberapa di antaranya sangat mencolok." Memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang katalis oksida memberi peneliti lebih banyak kendali atas reaksi kimia yang mereka hasilkan, termasuk solusi untuk energi bersih. Tembaga, misalnya, dapat secara katalitik membentuk dan mengubah metanol menjadi bahan bakar yang berharga, sehingga mampu mengontrol jumlah oksigen dan jumlah elektron pada tembaga merupakan langkah kunci menuju reaksi kimia yang efisien.

Peroksida sebagai Proksi

Peroksida adalah senyawa kimia yang mengandung dua atom oksigen yang dihubungkan oleh elektron bersama. Ikatan dalam peroksida cukup lemah, memungkinkan bahan kimia lain mengubah strukturnya, yang membuatnya sangat reaktif. Dalam percobaan ini, para ilmuwan dapat mengubah langkah redoks reaksi oksidasi katalitik pada permukaan tembaga teroksidasi (CuO) dengan mengidentifikasi susunan spesies peroksida yang dibentuk dengan gas yang berbeda: O2 (oksigen), H2 (hidrogen), dan CO (karbon monoksida). Energi ikat dan letak pembentukan peroksida (OO) pada Tembaga Oksida (CuO). (Gambar: BNL) Redoks adalah kombinasi reduksi dan oksidasi. Dalam proses ini, zat pengoksidasi memperoleh satu elektron dan zat pereduksi kehilangan satu elektron. Ketika membandingkan spesies peroksida yang berbeda ini dan bagaimana langkah-langkah ini dimainkan, para peneliti menemukan bahwa lapisan permukaan peroksida secara signifikan meningkatkan reduksi CuO demi H2 oksidasi. Mereka juga menemukan bahwa, sebaliknya, bertindak sebagai penghambat untuk menekan reduksi CuO terhadap oksidasi CO (karbon monoksida). Mereka menemukan bahwa efek berlawanan dari peroksida pada dua reaksi oksidasi berasal dari modifikasi permukaan tempat reaksi berlangsung. Dengan menemukan situs ikatan ini dan mempelajari bagaimana mereka mempromosikan atau menghambat oksidasi, para ilmuwan dapat menggunakan gas ini untuk lebih mengontrol bagaimana reaksi ini dimainkan. Namun, untuk menyetel reaksi ini, para ilmuwan harus melihat dengan jelas apa yang terjadi.

Alat yang Tepat untuk Pekerjaan itu

Mempelajari reaksi ini di tempat penting bagi tim, karena peroksida sangat reaktif dan perubahan ini terjadi dengan cepat. Tanpa alat atau lingkungan yang tepat, sulit menangkap momen terbatas seperti itu di permukaan. Spesies peroksida pada permukaan tembaga tidak pernah diamati menggunakan spektroskopi inframerah (IR) in-situ di masa lalu. Dengan teknik ini, peneliti menggunakan radiasi infra merah untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat kimia suatu bahan dengan melihat cara radiasi diserap atau dipantulkan dalam kondisi reaksi. Dalam percobaan ini, para ilmuwan dapat membedakan "spesies" peroksida, dengan sedikit variasi oksigen yang mereka bawa, yang jika tidak akan sangat sulit untuk diidentifikasi pada permukaan oksida logam. “Saya sangat bersemangat ketika melihat spektrum infra merah dari spesies peroksida ini di permukaan dan melihat bahwa tidak banyak publikasi. Sangat menarik bahwa kami dapat melihat perbedaan ini menggunakan teknik yang tidak diterapkan secara luas pada spesies semacam ini,” kenang Head. Spektroskopi IR saja tidak cukup untuk memastikan, itulah sebabnya tim juga menggunakan teknik spektroskopi lain yang disebut spektroskopi fotoelektron X-ray tekanan sekitar (XPS). XPS menggunakan sinar-x energi rendah untuk mengeluarkan elektron dari sampel. Energi elektron ini memberi petunjuk kepada para ilmuwan tentang sifat kimiawi atom dalam sampel. Memiliki kedua teknik yang tersedia melalui Program Pengguna CFN adalah kunci untuk memungkinkan penelitian ini. “Salah satu yang kami banggakan adalah instrumen yang kami miliki dan modifikasi di sini,” kata Boscoboinik. “Instrumen kami terhubung, sehingga pengguna dapat memindahkan sampel dalam lingkungan yang terkontrol di antara kedua teknik ini dan mempelajarinya secara in situ untuk mendapatkan informasi pelengkap. Dalam sebagian besar keadaan lain, pengguna harus mengeluarkan sampel untuk beralih ke instrumen lain, dan perubahan lingkungan itu dapat mengubah permukaannya.” “Fitur bagus CFN tidak hanya terletak pada fasilitas mutakhirnya untuk sains, tetapi juga peluang yang diberikannya untuk melatih para peneliti muda,” kata profesor Guangwen Zhou di Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Jurusan Teknik Mesin dan program Ilmu Material di Universitas Binghamton. ”Masing-masing siswa yang terlibat mendapat manfaat dari pengalaman langsung yang luas dalam alat mikroskop dan spektroskopi yang tersedia di CFN.” Pekerjaan ini diselesaikan dengan kontribusi dari empat mahasiswa PhD dalam kelompok Zhou: Yaguang Zhu dan Jianyu Wang, rekan penulis pertama makalah ini, dan Shyam Patel dan Chaoran Li. Semua siswa ini berada di awal karir mereka, baru saja mendapatkan gelar PhD pada tahun 2022.

Temuan Masa Depan

Hasil penelitian ini mungkin berlaku untuk jenis reaksi lain dan katalis lain selain tembaga. Temuan ini dan proses serta teknik yang mengarahkan para ilmuwan di sana dapat menemukan jalan mereka ke dalam penelitian terkait. Oksida logam banyak digunakan sebagai katalis sendiri atau komponen dalam katalis. Menyetel pembentukan peroksida pada oksida lain bisa menjadi cara untuk memblokir atau meningkatkan reaksi permukaan selama proses katalitik lainnya. “Saya terlibat dalam beberapa proyek lain yang terkait dengan tembaga dan oksida tembaga, termasuk mengubah karbon dioksida menjadi metanol untuk digunakan sebagai bahan bakar energi bersih,” kata Head. “Melihat peroksida ini pada permukaan yang sama yang saya gunakan berpotensi berdampak pada proyek lain yang menggunakan tembaga dan oksida logam lainnya.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php