מדענים משתמשים בפרוקסיד כדי להציץ לתגובות תחמוצת מתכות

07 באפריל, 2023 (חדשות Nanowerk) חוקרים מאוניברסיטת בינגהמטון הובילו מחקר בשיתוף פעולה עם המרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN) - מתקן משתמש של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) במעבדה הלאומית ברוקהייבן - כדי לראות טוב יותר כיצד פרוקסידים על פני תחמוצת הנחושת מקדמים את החמצון של מימן אך מעכבים את החמצון של פחמן חד חמצני, ומאפשרים להם לנווט תגובות חמצון. הם הצליחו לצפות בשינויים המהירים הללו באמצעות שתי שיטות ספקטרוסקופיה משלימות שלא נעשה בהן שימוש בדרך זו. התוצאות של עבודה זו פורסמו בכתב העת PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים ("כוונון תגובתיות פני השטח של תחמוצות לפי מיני חמצן"). "נחושת היא אחד המשטחים הנחקרים והרלוונטיים ביותר, הן בקטליזה והן במדעי הקורוזיה", הסבירה אניבל בוסקובויניק, מדענית חומרים ב-CFN. "כל כך הרבה חלקים מכניים המשמשים בתעשייה עשויים מנחושת, ולכן הניסיון להבין את המרכיב הזה של תהליכי הקורוזיה הוא מאוד חשוב." "תמיד אהבתי להסתכל על מערכות נחושת," אמרה אשלי הד גם מדענית חומרים ב-CFN. "יש להם תכונות ותגובות כל כך מעניינות, שחלקן ממש בולטות." השגת הבנה טובה יותר של זרזי תחמוצת נותנת לחוקרים שליטה רבה יותר על התגובות הכימיות שהם מייצרים, כולל פתרונות לאנרגיה נקייה. נחושת, למשל, יכולה ליצור באופן קטליטי ולהמיר מתנול לדלקים יקרי ערך, כך שהיכולת לשלוט בכמות החמצן ובמספר האלקטרונים על נחושת היא צעד מפתח לתגובות כימיות יעילות.

מי חמצן כפרוקסי

פרוקסידים הם תרכובות כימיות המכילות שני אטומי חמצן המקושרים על ידי אלקטרונים משותפים. הקשר בפרוקסידים חלש למדי, מה שמאפשר לכימיקלים אחרים לשנות את המבנה שלו, מה שהופך אותם לתגובתי מאוד. בניסוי זה, מדענים הצליחו לשנות את שלבי החיזור של תגובות חמצון קטליטיות על משטח נחושת מחומצן (CuO) על ידי זיהוי ההרכב של מיני חמצן שנוצרו עם גזים שונים: O2 (חמצן), H2 (מימן), ו-CO (פחמן חד חמצני). אנרגיית קישור ומיקום היווצרות מי חמצן (OO) על תחמוצת נחושת (CuO). (תמונה: BNL) חיזור הוא שילוב של הפחתה וחמצון. בתהליך זה, הגורם המחמצן צובר אלקטרון והחומר המצמצם מאבד אלקטרון. כאשר השוו את מיני החמצן השונים וכיצד השלבים הללו פעלו, החוקרים גילו ששכבת פני השטח של מי חמצן שיפרה משמעותית את יכולת הפחתת CuO לטובת H2 חִמצוּן. הם גם מצאו כי, מצד שני, הוא פעל כמעכב לדיכוי הפחתת CuO כנגד חמצון CO (פחמן חד חמצני). הם גילו שהשפעה הפוכה זו של החמצן על שתי תגובות החמצון נובעת מהשינוי של אתרי פני השטח שבהם התגובה מתרחשת. על ידי מציאת אתרי החיבור הללו ולמידה כיצד הם מקדמים או מעכבים חמצון, מדענים יכולים להשתמש בגזים אלה כדי להשיג שליטה רבה יותר על האופן שבו התגובות הללו מתרחשות. על מנת לכוון את התגובות הללו, המדענים היו צריכים לקבל מבט ברור על מה שקורה.

הכלים הנכונים לתפקיד

לומדים את התגובה הזו באתרו היה חשוב לצוות, מכיוון שהפרוקסידים מאוד תגובתיים והשינויים האלה קורים מהר. ללא הכלים או הסביבה הנכונים, קשה לתפוס רגע כה מוגבל על פני השטח. מינים של פרוקסיד על משטחי נחושת מעולם לא נצפו בעבר באמצעות ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (IR) במקום. בטכניקה זו, חוקרים משתמשים בקרינה אינפרא אדומה כדי להבין טוב יותר את התכונות הכימיות של החומר על ידי התבוננות באופן שבו הקרינה נספגת או משתקפת בתנאי תגובה. בניסוי זה, מדענים הצליחו להבדיל בין "מינים" של מי חמצן, עם שינויים קלים מאוד בחמצן שהם נושאים, שאחרת היה קשה מאוד לזהות על משטח תחמוצת מתכת. "ממש התרגשתי כשחיפשתי את ספקטרום האינפרא אדום של מיני החמצן הללו על משטח וראיתי שלא היו הרבה פרסומים. זה היה מרגש שיכולנו לראות את ההבדלים האלה באמצעות טכניקה שאינה מיושמת באופן נרחב במינים מסוג זה", נזכר הד. ספקטרוסקופיה IR בפני עצמה לא הספיקה כדי להיות בטוח, וזו הסיבה שהצוות השתמש גם בטכניקת ספקטרוסקופיה אחרת שנקראת ספקטרוסקופיה של צילום רנטגן בלחץ סביבתי (XPS). XPS משתמש בקרני רנטגן באנרגיה נמוכה יותר כדי להעיף אלקטרונים מהדגימה. האנרגיה של האלקטרונים הללו נותנת למדענים רמזים לגבי התכונות הכימיות של האטומים בדגימה. קיום שתי הטכניקות הזמינות דרך תוכנית המשתמשים של CFN היה המפתח ליצירת מחקר זה אפשרי. "אחד הדברים שאנו מתגאים בהם הוא הכלים שיש לנו ושינינו כאן", אמר בוסקובויניק. "המכשירים שלנו מחוברים, כך שמשתמשים יכולים להעביר את המדגם בסביבה מבוקרת בין שתי הטכניקות הללו וללמוד אותן במקום כדי לקבל מידע משלים. ברוב הנסיבות האחרות, משתמש יצטרך להוציא את הדגימה כדי ללכת למכשיר אחר, ושינוי הסביבה הזה יכול לשנות את פני השטח שלו." "תכונה נחמדה של CFN טמונה לא רק במתקנים החדישים ביותר שלו למדע, אלא גם בהזדמנויות שהוא מספק להכשיר חוקרים צעירים", אמר פרופסור גואנגון ג'ואו במכללת תומס ג'יי ווטסון להנדסה ומדע שימושי. המחלקה להנדסת מכונות והתוכנית למדעי החומרים באוניברסיטת בינגהמטון. "כל אחד מהסטודנטים המעורבים נהנה מניסיון רב ומעשי בכלי המיקרוסקופיה והספקטרוסקופיה הזמינים ב-CFN." עבודה זו הושגה בתרומתם של ארבעה סטודנטים לדוקטורט בקבוצתו של ג'ואו: יאגואנג ג'ו וג'יאניו וואנג, המחברים הראשונים של מאמר זה, ושיאם פאטל וצ'אורן לי. כל הסטודנטים הללו נמצאים בתחילת הקריירה שלהם, זה עתה קיבלו את הדוקטורט שלהם בשנת 2022.

ממצאים עתידיים

התוצאות של מחקר זה עשויות לחול על סוגים אחרים של תגובות וזרזים אחרים מלבד נחושת. ממצאים אלה והתהליכים והטכניקות שהובילו את המדענים לשם יכלו למצוא את דרכם למחקר קשור. תחמוצות מתכת נמצאות בשימוש נרחב כזרזים עצמם או כרכיבים בזרזים. כוונון היווצרות פרוקסיד על תחמוצות אחרות יכול להיות דרך לחסום או לשפר תגובות פני השטח במהלך תהליכים קטליטיים אחרים. "אני מעורב בכמה פרויקטים אחרים הקשורים לנחושת ותחמוצות נחושת, כולל הפיכת פחמן דו חמצני למתנול כדי להשתמש בו כדלק לאנרגיה נקייה," אמר ראש. "להסתכל על החמצנים האלה על אותו משטח שבו אני משתמש יש פוטנציאל להשפיע על פרויקטים אחרים המשתמשים בנחושת ותחמוצות מתכות אחרות."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php