科学者は過酸化物を使用して金属酸化物反応を調べます

07 (Nanowerkニュース) ビンガムトン大学の研究者は、ブルックヘブン国立研究所の米国エネルギー省 (DOE) 科学局ユーザー施設である機能性ナノマテリアル センター (CFN) と提携して研究を主導し、酸化銅の表面に過酸化物がどのように存在するかをよりよく調べました。水素の酸化を促進しますが、一酸化炭素の酸化を抑制し、酸化反応を誘導します。 彼らは、このように使用されていない XNUMX つの補完的な分光法を使用して、これらの急速な変化を観察することができました。 この研究の成果は雑誌に掲載されました 米国科学アカデミー紀要 (「過酸化物種による酸化物の表面反応性の調整」）。 CFN の材料科学者である Anibal Boscoboinik は、次のように説明しています。 「産業で使用される非常に多くの機械部品が銅でできているため、腐食プロセスのこの要素を理解しようとすることは非常に重要です。」 CFN の材料科学者でもある Ashley Head 氏は、次のように述べています。 「彼らは非常に興味深い特性と反応を持っており、その中には本当に印象的なものもあります。」 酸化物触媒の理解を深めることで、研究者は、クリーン エネルギーのソリューションを含め、触媒が生成する化学反応をより詳細に制御できるようになります。 たとえば、銅は触媒作用によってメタノールを形成し、価値のある燃料に変換することができるため、銅上の酸素の量と電子の数を制御できることは、効率的な化学反応の重要なステップです。

プロキシとしての過酸化物

過酸化物は、共有電子によって結合された XNUMX つの酸素原子を含む化合物です。 過酸化物の結合はかなり弱く、他の化学物質がその構造を変化させ、非常に反応性が高くなります. この実験では、科学者は、さまざまなガスで形成された過酸化物種の構成を特定することにより、酸化された銅表面 (CuO) での触媒酸化反応の酸化還元ステップを変更することができました。2 (酸素)、H2 (水素)、CO (一酸化炭素)。 酸化銅 (CuO) 上の過酸化物 (OO) 形成の結合エネルギーと位置。 (画像: BNL) レドックスは還元と酸化の組み合わせです。 この過程で、酸化剤は電子を受け取り、還元剤は電子を失います。 これらの異なる過酸化物種とこれらのステップがどのように行われたかを比較すると、研究者は、過酸化物の表面層が H を優先して CuO 還元性を大幅に強化することを発見しました。2 酸化。 一方、CO（一酸化炭素）の酸化に対するCuOの還元を抑制する阻害剤として作用することも見出しました。 彼らは、XNUMX つの酸化反応に対する過酸化物のこの反対の効果が、反応が起こる表面部位の修飾に由来することを発見しました。 これらの結合部位を見つけ、それらが酸化をどのように促進または阻害するかを知ることにより、科学者はこれらのガスを使用して、これらの反応がどのように展開するかをより詳細に制御できるようになります。 ただし、これらの反応を調整するために、科学者は何が起こっているのかを明確に把握する必要がありました。

仕事に適したツール

この反応の研究 現場の 過酸化物は非常に反応性が高く、これらの変化は急速に起こるため、チームにとって重要でした。 適切なツールや環境がなければ、そのような限られた瞬間を捉えることは困難です。 銅表面の過酸化物種は、過去にその場赤外線 (IR) 分光法を使用して観察されたことはありませんでした。 この技術では、研究者は赤外線を使用して、反応条件下で放射線が吸収または反射される方法を調べることで、材料の化学的性質をよりよく理解します。 この実験では、科学者は過酸化物の「種」を区別することができました。それらが運ぶ酸素の非常にわずかな変化で、そうでなければ金属酸化物表面で特定するのは非常に困難でした. 「表面上のこれらの過酸化物種の赤外線スペクトルを調べていて、多くの出版物がないことを知ったとき、私は本当に興奮しました. この種の種に広く適用されていない技術を使用して、これらの違いを見ることができたのは刺激的でした」と Head は思い出しました。 ただし、IR 分光法だけでは確信が持てませんでした。そのため、チームは大気圧 X 線光電子分光法 (XPS) と呼ばれる別の分光法も使用しました。 XPS では、低エネルギーの X 線を使用して、サンプルから電子を追い出します。 これらの電子のエネルギーは、科学者にサンプル内の原子の化学的性質に関する手がかりを与えます。 CFN ユーザー プログラムを通じて両方の手法を利用できるようにすることが、この研究を可能にする鍵でした。 「私たちが誇りに思っていることの 2022 つは、ここで改造した楽器です」と Boscoboinik 氏は述べています。 「私たちの機器は接続されているため、ユーザーは制御された環境でこれら XNUMX つの技術間でサンプルを移動し、その場で研究して補完的な情報を得ることができます。 他のほとんどの状況では、ユーザーはサンプルを取り出して別の機器に移動する必要があり、その環境の変化によって表面が変化する可能性があります。」 「CFN の優れた特徴は、最先端の科学施設だけでなく、若い研究者を訓練する機会を提供していることにもあります」と、トーマス J. ワトソン工学応用科学大学の Guangwen Zhou 教授は述べています。ビンガムトン大学の機械工学科と材料科学プログラム。 「参加した各学生は、CFN で利用可能な顕微鏡および分光ツールでの広範な実践的な経験から恩恵を受けています。」 この作業は、Zhou のグループの XNUMX 人の博士課程学生の貢献によって達成されました。この論文の最初の共著者である Yaguang Zhu と Jianyu Wang、および Shyam Patel と Chaoran Li です。 これらの学生は全員、キャリアの早い段階で、XNUMX 年に博士号を取得したばかりです。

今後の知見

この研究の結果は、銅以外の他のタイプの反応や他の触媒にも適用される可能性があります。 これらの発見と、科学者をそこに導いたプロセスと技術は、関連する研究への道を見つけることができました。 金属酸化物は、触媒自体または触媒の成分として広く使用されています。 他の酸化物上で過酸化物形成を調整することは、他の触媒プロセス中の表面反応をブロックまたは強化する方法になる可能性があります。 「私は、二酸化炭素をメタノールに変換してクリーン エネルギーの燃料として使用するなど、銅と酸化銅に関連するいくつかの他のプロジェクトに携わっています」と Head 氏は述べています。 「私が使用しているのと同じ表面でこれらの過酸化物を見ると、銅や他の金属酸化物を使用する他のプロジェクトに影響を与える可能性があります.」

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