Naukowcy używają nadtlenku, aby przyjrzeć się reakcjom tlenków metali

07 kwietnia 2023 (Wiadomości NanowerkNaukowcy z Uniwersytetu Binghamton prowadzili badania we współpracy z Centrum Funkcjonalnych Nanomateriałów (CFN) – Biurem Naukowym Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) w Brookhaven National Laboratory – aby lepiej przyjrzeć się działaniu nadtlenków na powierzchni tlenku miedzi promują utlenianie wodoru, ale hamują utlenianie tlenku węgla, umożliwiając im sterowanie reakcjami utleniania. Udało im się zaobserwować te szybkie zmiany za pomocą dwóch uzupełniających się metod spektroskopii, które nie były stosowane w ten sposób. Wyniki tych prac zostały opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences („Dostrajanie reaktywności powierzchniowej tlenków według form nadtlenków”). „Miedź jest jedną z najlepiej zbadanych i istotnych powierzchni, zarówno w katalizie, jak i nauce o korozji” – wyjaśnił Anibal Boscoboinik, materiałoznawca w CFN. „Wiele części mechanicznych stosowanych w przemyśle wykonanych jest z miedzi, dlatego bardzo ważna jest próba zrozumienia tego elementu procesów korozyjnych”. „Zawsze lubiłem przyglądać się systemom miedzianym” – powiedział Ashley Head, również naukowiec zajmujący się materiałami w CFN. „Mają bardzo interesujące właściwości i reakcje, a niektóre z nich są naprawdę uderzające”. Lepsze zrozumienie katalizatorów tlenkowych daje naukowcom większą kontrolę nad zachodzącymi w nich reakcjami chemicznymi, w tym nad rozwiązaniami na rzecz czystej energii. Na przykład miedź może katalitycznie tworzyć i przekształcać metanol w cenne paliwa, zatem możliwość kontrolowania ilości tlenu i liczby elektronów w miedzi jest kluczowym krokiem w wydajnych reakcjach chemicznych.

Nadtlenek jako pełnomocnik

Nadtlenki to związki chemiczne zawierające dwa atomy tlenu połączone wspólnymi elektronami. Wiązanie w nadtlenkach jest dość słabe, co pozwala innym chemikaliom zmieniać jego strukturę, co czyni je bardzo reaktywnymi. W tym eksperymencie naukowcom udało się zmienić etapy redoks katalitycznych reakcji utleniania na powierzchni utlenionej miedzi (CuO), identyfikując skład form nadtlenku powstających z różnymi gazami: O2 (tlen), H2 (wodór) i CO (tlenek węgla). Energia wiązania i lokalizacja powstawania nadtlenku (OO) na tlenku miedzi (CuO). (Zdjęcie: BNL) Redox to połączenie redukcji i utleniania. W tym procesie utleniacz zyskuje elektron, a środek redukujący traci elektron. Porównując te różne rodzaje nadtlenków i przebieg tych etapów, badacze odkryli, że powierzchniowa warstwa nadtlenku znacznie zwiększa zdolność do redukcji CuO na korzyść H2 utlenianie. Odkryli również, że z drugiej strony działał on jako inhibitor hamujący redukcję CuO przed utlenianiem CO (tlenku węgla). Odkryli, że ten przeciwny wpływ nadtlenku na dwie reakcje utleniania wynika z modyfikacji miejsc na powierzchni, na których zachodzi reakcja. Znajdując te miejsca wiązań i dowiadując się, w jaki sposób sprzyjają lub hamują utlenianie, naukowcy mogą wykorzystać te gazy, aby uzyskać większą kontrolę nad przebiegiem tych reakcji. Aby jednak dostroić te reakcje, naukowcy musieli dokładnie przyjrzeć się temu, co się dzieje.

Właściwe narzędzia do pracy

Badanie tej reakcji in situ było ważne dla zespołu, ponieważ nadtlenki są bardzo reaktywne i zmiany te zachodzą szybko. Bez odpowiednich narzędzi i środowiska trudno uchwycić tak ograniczony moment na powierzchni. W przeszłości nigdy nie obserwowano obecności nadtlenków na powierzchniach miedzi za pomocą in-situ spektroskopii w podczerwieni (IR). Dzięki tej technice badacze wykorzystują promieniowanie podczerwone, aby lepiej zrozumieć właściwości chemiczne materiału, obserwując sposób, w jaki promieniowanie jest pochłaniane lub odbijane w warunkach reakcji. W tym eksperymencie naukowcom udało się rozróżnić „gatunki” nadtlenku z bardzo niewielkimi różnicami w zawartości tlenu, który w nich przenoszony był, co w przeciwnym razie byłoby bardzo trudne do zidentyfikowania na powierzchni tlenku metalu. „Byłem naprawdę podekscytowany, gdy przeglądałem widma w podczerwieni tych form nadtlenków na powierzchni i zauważyłem, że nie było zbyt wielu publikacji. Ekscytujące było to, że mogliśmy zobaczyć te różnice przy użyciu techniki, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku tego rodzaju gatunków” – wspomina Head. Sama spektroskopia w podczerwieni nie była jednak wystarczająca, aby uzyskać pewność, dlatego zespół zastosował również inną technikę spektroskopii, zwaną rentgenowską spektroskopią fotoelektronów pod ciśnieniem otoczenia (XPS). XPS wykorzystuje promienie rentgenowskie o niższej energii do wyrzucania elektronów z próbki. Energia tych elektronów dostarcza naukowcom wskazówek na temat właściwości chemicznych atomów w próbce. Dostępność obu technik w ramach Programu Użytkowników CFN była kluczem do umożliwienia przeprowadzenia tych badań. „Jedną z rzeczy, z których jesteśmy dumni, są instrumenty, które tutaj posiadamy i które modyfikowaliśmy” – powiedział Boscoboinik. „Nasze instrumenty są połączone, więc użytkownicy mogą przenosić próbkę w kontrolowanym środowisku pomiędzy tymi dwiema technikami i badać je na miejscu w celu uzyskania uzupełniających informacji. W większości innych sytuacji użytkownik musiałby wyjąć próbkę i przenieść ją do innego instrumentu, a zmiana środowiska mogłaby zmienić jej powierzchnię. „Miłą cechą CFN jest nie tylko najnowocześniejsze zaplecze naukowe, ale także możliwości, jakie zapewnia kształcenie młodych badaczy” – powiedziała profesor Guangwen Zhou w Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Sciences Wydział Inżynierii Mechanicznej i program Nauki o Materiałach na Uniwersytecie Binghamton. „Każdy z zaangażowanych studentów skorzystał z rozległego, praktycznego doświadczenia w zakresie narzędzi mikroskopowych i spektroskopowych dostępnych w CFN.” Praca ta została ukończona dzięki wkładowi czterech doktorantów z grupy Zhou: Yaguang Zhu i Jianyu Wang, pierwszych współautorów tej pracy, oraz Shyama Patela i Chaorana Li. Wszyscy ci studenci są na początku swojej kariery zawodowej i właśnie uzyskali stopień doktora w 2022 r.

Przyszłe ustalenia

Wyniki tego badania mogą dotyczyć innych typów reakcji i innych katalizatorów niż miedź. Odkrycia te oraz procesy i techniki, które doprowadziły tam naukowców, mogą znaleźć zastosowanie w powiązanych badaniach. Tlenki metali są szeroko stosowane jako same katalizatory lub składniki katalizatorów. Regulowanie tworzenia się nadtlenku na innych tlenkach może być sposobem na blokowanie lub wzmacnianie reakcji powierzchniowych podczas innych procesów katalitycznych. „Jestem zaangażowany w kilka innych projektów związanych z miedzią i tlenkami miedzi, w tym w przekształcanie dwutlenku węgla w metanol w celu wykorzystania go jako paliwa do czystej energii” – powiedział Head. „Przyglądanie się tym nadtlenkom na tej samej powierzchni, której używam, może mieć wpływ na inne projekty wykorzystujące tlenki miedzi i innych metali”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php