Wetenschappers gebruiken peroxide om metaaloxidereacties te onderzoeken

07 april 2023 (Nanowerk NieuwsOnderzoekers van Binghamton University hebben onderzoek geleid in samenwerking met het Center for Functional Nanomaterials (CFN) – een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory – om beter te kunnen zien hoe peroxiden op het oppervlak van koperoxide voorkomen. bevorderen de oxidatie van waterstof, maar remmen de oxidatie van koolmonoxide, waardoor ze oxidatiereacties kunnen sturen. Ze konden deze snelle veranderingen waarnemen met twee complementaire spectroscopiemethoden die nog niet op deze manier zijn gebruikt. De resultaten van dit werk zijn gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences (“De oppervlaktereactiviteit van oxiden afstemmen op peroxidesoorten”). “Koper is een van de meest bestudeerde en relevante oppervlakken, zowel in de katalyse als in de corrosiewetenschap”, legt Anibal Boscoboinik, materiaalwetenschapper bij CFN, uit. “Zoveel mechanische onderdelen die in de industrie worden gebruikt, zijn gemaakt van koper, dus het is erg belangrijk om dit element van de corrosieprocessen te begrijpen.” “Ik heb altijd graag naar kopersystemen gekeken”, zegt Ashley Head, eveneens materiaalwetenschapper bij CFN. “Ze hebben zulke interessante eigenschappen en reacties, waarvan sommige echt opvallend zijn.” Door een beter begrip te krijgen van oxidekatalysatoren krijgen onderzoekers meer controle over de chemische reacties die ze veroorzaken, inclusief oplossingen voor schone energie. Koper kan bijvoorbeeld katalytisch methanol vormen en omzetten in waardevolle brandstoffen, dus het kunnen beheersen van de hoeveelheid zuurstof en het aantal elektronen op koper is een belangrijke stap naar efficiënte chemische reacties.

Peroxide als proxy

Peroxiden zijn chemische verbindingen die twee zuurstofatomen bevatten die met elkaar zijn verbonden door gedeelde elektronen. De binding in peroxiden is vrij zwak, waardoor andere chemicaliën de structuur kunnen veranderen, waardoor ze zeer reactief worden. In dit experiment konden wetenschappers de redoxstappen van katalytische oxidatiereacties op een geoxideerd koperoppervlak (CuO) veranderen door de samenstelling van peroxidesoorten te identificeren die met verschillende gassen zijn gevormd: O2 (zuurstof), H2 (waterstof) en CO (koolmonoxide). Bindingsenergie en locatie van peroxide (OO) vorming op koperoxide (CuO). (Afbeelding: BNL) Redox is een combinatie van reductie en oxidatie. Bij dit proces krijgt het oxidatiemiddel een elektron en verliest het reductiemiddel een elektron. Bij het vergelijken van deze verschillende peroxidesoorten en hoe deze stappen zich afspeelden, ontdekten onderzoekers dat een oppervlaktelaag van peroxide de CuO-reduceerbaarheid aanzienlijk verbeterde ten gunste van H.2 oxidatie. Ze ontdekten ook dat het aan de andere kant fungeerde als een remmer om de CuO-reductie tegen CO (koolmonoxide)-oxidatie te onderdrukken. Ze ontdekten dat dit tegengestelde effect van het peroxide op de twee oxidatiereacties voortkomt uit de modificatie van de oppervlakteplaatsen waar de reactie plaatsvindt. Door deze bindingsplaatsen te vinden en te leren hoe ze oxidatie bevorderen of remmen, kunnen wetenschappers deze gassen gebruiken om meer controle te krijgen over hoe deze reacties verlopen. Om deze reacties te kunnen afstemmen, moesten wetenschappers echter duidelijk zien wat er gebeurde.

Het juiste gereedschap voor de klus

Deze reactie bestuderen in situ was belangrijk voor het team, omdat peroxiden zeer reactief zijn en deze veranderingen snel plaatsvinden. Zonder het juiste gereedschap of de juiste omgeving is het moeilijk om zo’n beperkt moment aan de oppervlakte vast te leggen. Peroxidesoorten op koperoppervlakken zijn in het verleden nooit waargenomen met behulp van in-situ infrarood (IR) spectroscopie. Met deze techniek gebruiken onderzoekers infraroodstraling om de chemische eigenschappen van een materiaal beter te begrijpen door te kijken naar de manier waarop de straling wordt geabsorbeerd of gereflecteerd onder reactieomstandigheden. In dit experiment konden wetenschappers ‘soorten’ peroxide onderscheiden, met zeer kleine variaties in de zuurstof die ze vervoerden, wat anders heel moeilijk te identificeren zou zijn geweest op een metaaloxide-oppervlak. “Ik werd erg opgewonden toen ik de infraroodspectra van deze peroxidesoorten op een oppervlak opzocht en zag dat er niet veel publicaties waren. Het was opwindend dat we deze verschillen konden zien met behulp van een techniek die niet op grote schaal wordt toegepast op dit soort soorten”, herinnert Head zich. IR-spectroscopie alleen was echter niet voldoende om zekerheid te krijgen. Daarom gebruikte het team ook een andere spectroscopietechniek, genaamd omgevingsdruk-röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). XPS gebruikt röntgenstraling met lagere energie om elektronen uit het monster te schoppen. De energie van deze elektronen geeft wetenschappers aanwijzingen over de chemische eigenschappen van atomen in het monster. Het beschikbaar hebben van beide technieken via het CFN User Program was van cruciaal belang om dit onderzoek mogelijk te maken. “Een van de dingen waar we trots op zijn, zijn de instrumenten die we hier hebben en aanpassen”, zei Boscoboinik. “Onze instrumenten zijn met elkaar verbonden, zodat gebruikers het monster in een gecontroleerde omgeving tussen deze twee technieken kunnen verplaatsen en ze ter plaatse kunnen bestuderen om aanvullende informatie te verkrijgen. In de meeste andere omstandigheden zou een gebruiker het monster eruit moeten halen om naar een ander instrument te gaan, en die verandering van omgeving zou het oppervlak kunnen veranderen.” “Een mooi kenmerk van CFN ligt niet alleen in de ultramoderne faciliteiten voor de wetenschap, maar ook in de mogelijkheden die het biedt om jonge onderzoekers op te leiden”, zegt Guangwen Zhou-professor aan het Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science. Afdeling Werktuigbouwkunde en het Materials Science-programma aan de Binghamton University. “Elk van de betrokken studenten heeft geprofiteerd van uitgebreide, praktische ervaring met de microscopie- en spectroscopie-instrumenten die beschikbaar zijn bij CFN.” Dit werk werd tot stand gebracht met de bijdragen van vier promovendi in de groep van Zhou: Yaguang Zhu en Jianyu Wang, de eerste co-auteurs van dit artikel, en Shyam Patel en Chaoran Li. Al deze studenten staan ​​nog aan het begin van hun carrière en zijn in 2022 net gepromoveerd.

Toekomstige bevindingen

De resultaten van dit onderzoek kunnen naast koper ook van toepassing zijn op andere soorten reacties en andere katalysatoren. Deze bevindingen en de processen en technieken die wetenschappers daarheen hebben geleid, zouden hun weg kunnen vinden naar gerelateerd onderzoek. Metaaloxiden worden op grote schaal gebruikt als katalysatoren zelf of als componenten in katalysatoren. Het afstemmen van de peroxidevorming op andere oxiden zou een manier kunnen zijn om oppervlaktereacties tijdens andere katalytische processen te blokkeren of te versterken. “Ik ben betrokken bij een aantal andere projecten die verband houden met koper en koperoxiden, waaronder het omzetten van koolstofdioxide in methanol om te gebruiken als brandstof voor schone energie”, aldus Head. "Als ik naar deze peroxiden kijk op hetzelfde oppervlak dat ik gebruik, kan dit impact hebben op andere projecten waarbij koper en andere metaaloxiden worden gebruikt."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php