과학자들은 금속 산화물 반응을 들여다보기 위해 과산화물을 사용합니다.

과학자들은 금속 산화물 반응을 들여다보기 위해 과산화물을 사용합니다.

타임 스탬프 : 7 년 2023 월 10 일 오전 43:XNUMX
소스 노드 : 2571360
07년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) Binghamton University의 연구원들은 Brookhaven 국립 연구소의 미국 에너지부(DOE) 과학 사용자 시설 사무국인 CFN(Centre for Functional Nanomaterials)과 협력하여 연구를 주도하여 산화구리 표면의 과산화물이 어떻게 작용하는지 더 잘 살펴보았습니다. 수소의 산화를 촉진하지만 일산화탄소의 산화를 억제하여 산화 반응을 조종할 수 있습니다. 그들은 이런 방식으로 사용되지 않았던 두 가지 무료 분광학 방법을 사용하여 이러한 빠른 변화를 관찰할 수 있었습니다. 이번 연구 결과는 저널에 게재됐다. 과학 국립 아카데미의 절차 (“과산화물 종에 의한 산화물의 표면 반응성 조정”). CFN의 재료 과학자인 Anibal Boscoboinik은 “구리는 촉매 작용과 부식 과학 모두에서 가장 많이 연구되고 관련된 표면 중 하나입니다. "산업에서 사용되는 많은 기계 부품은 구리로 만들어지기 때문에 부식 과정의 이러한 요소를 이해하는 것이 매우 중요합니다." CFN의 재료 과학자인 Ashley Head는 "나는 항상 구리 시스템을 보는 것을 좋아했습니다."라고 말했습니다. "그들은 매우 흥미로운 특성과 반응을 가지고 있으며 그 중 일부는 정말 놀랍습니다." 산화물 촉매에 대해 더 잘 이해하면 연구자들은 청정 에너지 솔루션을 포함하여 그들이 생성하는 화학 반응을 더 잘 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 구리는 메탄올을 촉매적으로 형성하고 귀중한 연료로 전환할 수 있으므로 구리의 산소량과 전자 수를 제어할 수 있는 것은 효율적인 화학 반응을 위한 핵심 단계입니다.

프록시로서의 과산화물

과산화물은 공유 전자로 연결된 두 개의 산소 원자를 포함하는 화합물입니다. 과산화물의 결합은 매우 약하여 다른 화학물질이 구조를 변경하게 하여 반응성이 매우 높습니다. 이 실험에서 과학자들은 다양한 가스로 형성된 과산화물 종의 구성을 식별하여 산화된 구리 표면(CuO)에서 촉매 산화 반응의 산화환원 단계를 변경할 수 있었습니다.2 (산소), H2 (수소) 및 CO(일산화탄소). 구리 산화물(CuO)의 결합 에너지 및 과산화물(OO) 형성 위치 구리 산화물(CuO)의 결합 에너지 및 과산화물(OO) 형성 위치. (이미지 : BNL) 산화 환원은 환원과 산화의 조합입니다. 이 과정에서 산화제는 전자를 얻고, 환원제는 전자를 잃습니다. 이러한 다양한 과산화물 종과 이러한 단계가 어떻게 진행되는지 비교할 때 연구자들은 과산화물 표면층이 H에 유리하게 CuO 환원성을 크게 향상시키는 것을 발견했습니다.2 산화. 그들은 또한 CO(일산화탄소) 산화에 대한 CuO 환원을 억제하는 억제제 역할을 한다는 사실도 발견했습니다. 그들은 두 가지 산화 반응에 대한 과산화물의 반대 효과가 반응이 일어나는 표면 부위의 변형에서 비롯된다는 것을 발견했습니다. 이러한 결합 부위를 찾아 산화를 촉진하거나 억제하는 방법을 학습함으로써 과학자들은 이러한 가스를 사용하여 이러한 반응이 어떻게 진행되는지 더 잘 제어할 수 있습니다. 하지만 이러한 반응을 조정하기 위해 과학자들은 무슨 일이 일어나고 있는지 명확하게 살펴봐야 했습니다.

작업에 적합한 도구

이 반응을 연구 현장 과산화물은 반응성이 매우 높고 이러한 변화가 빠르게 일어나기 때문에 팀에게 중요했습니다. 적절한 도구나 환경이 없으면 제한된 순간을 표면적으로 포착하기가 어렵습니다. 과거에는 현장 적외선(IR) 분광법을 사용하여 구리 표면의 과산화물 종을 관찰한 적이 없습니다. 이 기술을 통해 연구자들은 적외선을 사용하여 반응 조건에서 방사선이 흡수되거나 반사되는 방식을 살펴봄으로써 물질의 화학적 특성을 더 잘 이해할 수 있습니다. 이 실험에서 과학자들은 과산화물이 운반하는 산소에 아주 약간의 변화가 있는 과산화물 "종"을 구별할 수 있었는데, 그렇지 않았다면 금속 산화물 표면에서 식별하기가 매우 어려웠을 것입니다. “표면에서 이러한 과산화물 종의 적외선 스펙트럼을 조사하고 출판물이 많지 않다는 것을 알았을 때 정말 기뻤습니다. 이러한 종류의 종에 널리 적용되지 않는 기술을 사용하여 이러한 차이점을 확인할 수 있다는 것은 흥미로웠습니다.”라고 Head는 회상했습니다. 하지만 IR 분광학 자체로는 확신을 갖기에 충분하지 않았기 때문에 팀은 XPS(주변압 X선 광전자 분광학)라는 또 다른 분광학 기술도 사용했습니다. XPS는 저에너지 X선을 사용하여 샘플에서 전자를 쫓아냅니다. 이러한 전자의 에너지는 과학자들에게 샘플에 있는 원자의 화학적 특성에 대한 단서를 제공합니다. CFN 사용자 프로그램을 통해 두 기술을 모두 사용할 수 있게 된 것이 이 연구를 가능하게 하는 핵심이었습니다. Boscoboinik은 "우리가 자랑스러워하는 것 중 하나는 여기에서 보유하고 수정한 도구입니다."라고 말했습니다. “저희 장비는 연결되어 있으므로 사용자는 제어된 환경에서 이 두 기술 사이에서 샘플을 이동하고 현장에서 연구하여 보완적인 정보를 얻을 수 있습니다. 대부분의 다른 상황에서는 사용자가 다른 기기로 이동하기 위해 샘플을 꺼내야 하며 환경의 변화로 인해 표면이 바뀔 수 있습니다." Thomas J. Watson 공과대학 및 응용과학 대학의 Guangwen Zhou 교수는 "CFN의 좋은 특징은 과학을 위한 최첨단 시설뿐만 아니라 젊은 연구자를 양성할 수 있는 기회도 제공한다는 점입니다."라고 말했습니다. Binghamton University의 기계 공학과 및 재료 과학 프로그램. "참여한 각 학생들은 CFN에서 사용할 수 있는 현미경 및 분광학 도구에 대한 광범위한 실무 경험의 혜택을 받았습니다." 이 작업은 Zhou 그룹의 박사 과정 학생 2022명의 기여로 이루어졌습니다. 이 논문의 첫 번째 공동 저자인 Yaguang Zhu와 Jianyu Wang, 그리고 Shyam Patel과 Chaoran Li입니다. 이 학생들은 모두 XNUMX년에 박사 학위를 취득한 경력 초기입니다.

향후 연구 결과

본 연구의 결과는 구리 이외의 다른 유형의 반응 및 기타 촉매에도 적용될 수 있습니다. 과학자들을 그곳으로 이끈 이러한 발견과 프로세스 및 기술은 관련 연구에 활용될 수 있습니다. 금속 산화물은 촉매 자체 또는 촉매의 구성 요소로 널리 사용됩니다. 다른 산화물에 대한 과산화물 형성을 조정하는 것은 다른 촉매 공정 중에 표면 반응을 차단하거나 향상시키는 방법이 될 수 있습니다. Head는 “저는 이산화탄소를 메탄올로 변환하여 청정 에너지 연료로 사용하는 것을 포함하여 구리 및 산화구리와 관련된 다른 프로젝트에 참여하고 있습니다.”라고 말했습니다. "내가 사용하는 동일한 표면에서 이러한 과산화물을 관찰하면 구리 및 기타 금속 산화물을 사용하는 다른 프로젝트에 영향을 미칠 가능성이 있습니다."

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