Forskere bruker peroksid for å se inn i metalloksidreaksjoner

07. april 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskere ved Binghamton University ledet forskningssamarbeid med Center for Functional Nanomaterials (CFN) – et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory – for å få et bedre innblikk i hvordan peroksider på overflaten av kobberoksid fremme oksidasjonen av hydrogen, men hemmer oksidasjonen av karbonmonoksid, slik at de kan styre oksidasjonsreaksjoner. De var i stand til å observere disse raske endringene med to komplementære spektroskopimetoder som ikke har blitt brukt på denne måten. Resultatene av dette arbeidet er publisert i tidsskriftet Proceedings of National Academy of Sciences ("Justering av overflatereaktiviteten til oksider etter peroksidarter"). "Kobber er en av de mest studerte og relevante overflatene, både innen katalyse og i korrosjonsvitenskap," forklarte Anibal Boscoboinik, materialforsker ved CFN. "Så mange mekaniske deler som brukes i industrien er laget av kobber, så det er veldig viktig å prøve å forstå dette elementet i korrosjonsprosessene." "Jeg har alltid likt å se på kobbersystemer," sa Ashley Head, også en materialforsker ved CFN. "De har så interessante egenskaper og reaksjoner, hvorav noen er virkelig slående." Å få en bedre forståelse av oksidkatalysatorer gir forskerne mer kontroll over de kjemiske reaksjonene de produserer, inkludert løsninger for ren energi. Kobber, for eksempel, kan katalytisk danne og omdanne metanol til verdifullt brensel, så å kunne kontrollere mengden oksygen og antall elektroner på kobber er et nøkkeltrinn for effektive kjemiske reaksjoner.

Peroksid som en proxy

Peroksider er kjemiske forbindelser som inneholder to oksygenatomer forbundet med delte elektroner. Bindingen i peroksider er ganske svak, slik at andre kjemikalier kan endre strukturen, noe som gjør dem veldig reaktive. I dette eksperimentet var forskere i stand til å endre redokstrinnene til katalytiske oksidasjonsreaksjoner på en oksidert kobberoverflate (CuO) ved å identifisere sammensetningen av peroksidarter dannet med forskjellige gasser: O2 (oksygen), H2 (hydrogen) og CO (karbonmonoksid). Bindingsenergi og plassering av peroksid (OO) dannelse på kobberoksid (CuO). (Bilde: BNL) Redoks er en kombinasjon av reduksjon og oksidasjon. I denne prosessen får oksidasjonsmidlet et elektron og reduksjonsmidlet mister et elektron. Når man sammenlignet disse forskjellige peroksidartene og hvordan disse trinnene utspilte seg, fant forskerne at et overflatelag av peroksid forbedret CuO-reduserbarheten betydelig til fordel for H2 oksidasjon. De fant også at det på den annen side fungerte som en hemmer for å undertrykke CuO-reduksjon mot CO (karbonmonoksid) oksidasjon. De fant at denne motsatte effekten av peroksidet på de to oksidasjonsreaksjonene stammer fra modifikasjonen av overflatestedene der reaksjonen finner sted. Ved å finne disse bindingsstedene og lære hvordan de fremmer eller hemmer oksidasjon, kan forskere bruke disse gassene til å få mer kontroll over hvordan disse reaksjonene utspiller seg. For å justere disse reaksjonene, måtte forskerne få et klart blikk på hva som skjedde.

De riktige verktøyene for jobben

Studerer denne reaksjonen in situ var viktig for teamet, siden peroksider er veldig reaktive og disse endringene skjer raskt. Uten de riktige verktøyene eller miljøet er det vanskelig å fange et så begrenset øyeblikk på overflaten. Peroksidarter på kobberoverflater ble aldri observert ved bruk av in-situ infrarød (IR) spektroskopi tidligere. Med denne teknikken bruker forskere infrarød stråling for å få en bedre forståelse av et materiales kjemiske egenskaper ved å se på måten strålingen absorberes eller reflekteres under reaksjonsforhold. I dette eksperimentet klarte forskerne å differensiere "arter" av peroksid, med svært små variasjoner i oksygenet de hadde med seg, noe som ellers ville vært svært vanskelig å identifisere på en metalloksidoverflate. "Jeg ble veldig begeistret da jeg så opp de infrarøde spektrene til disse peroksidartene på en overflate og så at det ikke var mange publikasjoner. Det var spennende at vi kunne se disse forskjellene ved å bruke en teknikk som ikke er mye brukt på denne typen arter, husker Head. IR-spektroskopi i seg selv var imidlertid ikke nok til å være sikker, og det er grunnen til at teamet også brukte en annen spektroskopiteknikk kalt røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). XPS bruker røntgenstråler med lavere energi for å sparke elektroner ut av prøven. Energien til disse elektronene gir forskerne ledetråder om de kjemiske egenskapene til atomene i prøven. Å ha begge teknikkene tilgjengelig gjennom CFN-brukerprogrammet var nøkkelen til å gjøre denne forskningen mulig. "En av tingene vi er stolte av er instrumentene vi har og modifisert her," sa Boscoboinik. "Våre instrumenter er koblet sammen, slik at brukere kan flytte prøven i et kontrollert miljø mellom disse to teknikkene og studere dem in situ for å få utfyllende informasjon. I de fleste andre omstendigheter ville en bruker måtte ta prøven ut for å gå til et annet instrument, og den endringen av miljøet kan endre overflaten.» "En fin egenskap ved CFN ligger ikke bare i dets toppmoderne fasiliteter for vitenskap, men også mulighetene det gir til å trene unge forskere," sa Guangwen Zhou-professor ved Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Institutt for maskinteknikk og materialvitenskap-programmet ved Binghamton University. "Hver av de involverte studentene har dratt nytte av omfattende, praktisk erfaring med mikroskopi- og spektroskopiverktøyene som er tilgjengelige ved CFN." Dette arbeidet ble utført med bidrag fra fire doktorgradsstudenter i Zhous gruppe: Yaguang Zhu og Jianyu Wang, de første medforfatterne av denne artikkelen, og Shyam Patel og Chaoran Li. Alle disse studentene er tidlig i karrieren, etter å ha oppnådd doktorgraden i 2022.

Fremtidige funn

Resultatene av denne studien kan gjelde andre typer reaksjoner og andre katalysatorer enn kobber. Disse funnene og prosessene og teknikkene som førte forskerne dit kunne finne veien inn i relatert forskning. Metalloksider er mye brukt som selve katalysatorer eller komponenter i katalysatorer. Justering av peroksiddannelse på andre oksider kan være en måte å blokkere eller forsterke overflatereaksjoner under andre katalytiske prosesser. "Jeg er involvert i noen andre prosjekter relatert til kobber og kobberoksider, inkludert transformasjon av karbondioksid til metanol for å bruke som drivstoff for ren energi," sa Head. "Å se på disse peroksidene på samme overflate som jeg bruker har potensial til å påvirke andre prosjekter som bruker kobber og andre metalloksider."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php