Gli scienziati usano il perossido per scrutare le reazioni di ossido di metallo

07 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) I ricercatori della Binghamton University hanno condotto una ricerca in collaborazione con il Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti scientifici dell'Office of Science User Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, per osservare meglio come si formano i perossidi sulla superficie dell'ossido di rame. promuovono l'ossidazione dell'idrogeno ma inibiscono l'ossidazione del monossido di carbonio, consentendo loro di guidare le reazioni di ossidazione. Sono stati in grado di osservare questi rapidi cambiamenti con due metodi di spettroscopia complementari che non erano stati utilizzati in questo modo. I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati sulla rivista Atti della National Academy of Sciences ("Ottimizzazione della reattività superficiale degli ossidi mediante specie di perossido"). “Il rame è una delle superfici più studiate e rilevanti, sia nella catalisi che nella scienza della corrosione”, ha spiegato Anibal Boscoboinik, scienziato dei materiali al CFN. "Molte parti meccaniche utilizzate nell'industria sono realizzate in rame, quindi cercare di comprendere questo elemento dei processi di corrosione è molto importante." "Mi è sempre piaciuto osservare i sistemi in rame", ha affermato Ashley Head, anch'essa scienziata dei materiali presso CFN. "Hanno proprietà e reazioni davvero interessanti, alcune delle quali sono davvero sorprendenti." Acquisire una migliore comprensione dei catalizzatori di ossido offre ai ricercatori un maggiore controllo sulle reazioni chimiche che producono, comprese le soluzioni per l'energia pulita. Il rame, ad esempio, può formare e convertire cataliticamente il metanolo in preziosi combustibili, quindi essere in grado di controllare la quantità di ossigeno e il numero di elettroni sul rame è un passo fondamentale per reazioni chimiche efficienti.

Perossido come proxy

I perossidi sono composti chimici che contengono due atomi di ossigeno collegati da elettroni condivisi. Il legame nei perossidi è piuttosto debole e consente ad altri prodotti chimici di alterarne la struttura, rendendoli molto reattivi. In questo esperimento, gli scienziati sono stati in grado di alterare le fasi redox delle reazioni di ossidazione catalitica su una superficie di rame ossidato (CuO) identificando la composizione delle specie di perossido formate con gas diversi: O2 (ossigeno), H2 (idrogeno) e CO (monossido di carbonio). Energia di legame e posizione della formazione del perossido (OO) sull'ossido di rame (CuO). (Immagine: BNL) Redox è una combinazione di riduzione e ossidazione. In questo processo l’agente ossidante acquista un elettrone e l’agente riducente ne perde uno. Confrontando queste diverse specie di perossido e il modo in cui si sono svolti questi passaggi, i ricercatori hanno scoperto che uno strato superficiale di perossido migliorava significativamente la riducibilità del CuO a favore dell'H2 ossidazione. Hanno anche scoperto che, d’altro canto, agiva da inibitore per sopprimere la riduzione del CuO contro l’ossidazione del CO (monossido di carbonio). Hanno scoperto che questo effetto opposto del perossido sulle due reazioni di ossidazione deriva dalla modifica dei siti superficiali dove avviene la reazione. Trovando questi siti di legame e imparando come promuovono o inibiscono l’ossidazione, gli scienziati possono utilizzare questi gas per ottenere un maggiore controllo su come si svolgono queste reazioni. Per mettere a punto queste reazioni, però, gli scienziati dovevano avere una visione chiara di ciò che stava accadendo.

Gli strumenti giusti per il lavoro

Studiare questa reazione on-site era importante per il team, poiché i perossidi sono molto reattivi e questi cambiamenti avvengono rapidamente. Senza gli strumenti o l'ambiente giusti, è difficile catturare un momento così limitato in superficie. In passato le specie di perossido sulle superfici di rame non sono mai state osservate utilizzando la spettroscopia infrarossa (IR) in situ. Con questa tecnica, i ricercatori utilizzano la radiazione infrarossa per comprendere meglio le proprietà chimiche di un materiale osservando il modo in cui la radiazione viene assorbita o riflessa nelle condizioni di reazione. In questo esperimento, gli scienziati sono stati in grado di differenziare le “specie” di perossido, con lievissime variazioni nell’ossigeno che trasportavano, che altrimenti sarebbe stato molto difficile da identificare su una superficie di ossido metallico. “Mi sono davvero emozionato quando osservavo gli spettri infrarossi di queste specie di perossido su una superficie e ho visto che non c'erano molte pubblicazioni. È stato emozionante poter osservare queste differenze utilizzando una tecnica non ampiamente applicata a questo tipo di specie", ha ricordato Head. La spettroscopia IR da sola non era però sufficiente per esserne sicuri, motivo per cui il team ha utilizzato anche un’altra tecnica di spettroscopia chiamata spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente (XPS). L'XPS utilizza raggi X a bassa energia per espellere gli elettroni dal campione. L'energia di questi elettroni fornisce agli scienziati indizi sulle proprietà chimiche degli atomi nel campione. Avere entrambe le tecniche disponibili attraverso il CFN User Program è stato fondamentale per rendere possibile questa ricerca. "Una delle cose di cui siamo orgogliosi sono gli strumenti che abbiamo e abbiamo modificato qui", ha detto Boscoboinik. “I nostri strumenti sono collegati, quindi gli utenti possono spostare il campione in un ambiente controllato tra queste due tecniche e studiarle in situ per ottenere informazioni complementari. Nella maggior parte delle altre circostanze, un utente dovrebbe estrarre il campione per passare a uno strumento diverso e il cambiamento di ambiente potrebbe alterarne la superficie”. "Una caratteristica interessante del CFN non risiede solo nelle sue strutture scientifiche all'avanguardia, ma anche nelle opportunità che offre di formare giovani ricercatori", ha affermato Guangwen Zhou, professore presso il Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e programma di Scienza dei Materiali presso l'Università di Binghamton. "Ciascuno degli studenti coinvolti ha beneficiato di una vasta esperienza pratica negli strumenti di microscopia e spettroscopia disponibili presso CFN." Questo lavoro è stato realizzato con il contributo di quattro studenti di dottorato nel gruppo di Zhou: Yaguang Zhu e Jianyu Wang, i primi coautori di questo articolo, e Shyam Patel e Chaoran Li. Tutti questi studenti sono all'inizio della loro carriera, avendo appena conseguito il dottorato di ricerca nel 2022.

Risultati futuri

I risultati di questo studio possono applicarsi ad altri tipi di reazioni e ad altri catalizzatori oltre al rame. Queste scoperte, i processi e le tecniche che hanno portato gli scienziati lì potrebbero trovare la loro strada nella ricerca correlata. Gli ossidi metallici sono ampiamente utilizzati come catalizzatori stessi o come componenti nei catalizzatori. Regolare la formazione di perossido su altri ossidi potrebbe essere un modo per bloccare o migliorare le reazioni superficiali durante altri processi catalitici. "Sono coinvolto in altri progetti legati al rame e agli ossidi di rame, inclusa la trasformazione dell'anidride carbonica in metanolo da utilizzare come combustibile per l'energia pulita", ha affermato Head. "Guardare questi perossidi sulla stessa superficie che utilizzo ha il potenziale per avere un impatto su altri progetti che utilizzano rame e altri ossidi metallici."

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