Cientistas usam peróxido para examinar reações de óxido metálico

07 de abril de 2023 (Notícias do Nanowerk) Pesquisadores da Universidade de Binghamton conduziram pesquisas em parceria com o Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) - uma instalação de usuário do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven - para obter uma visão melhor de como os peróxidos na superfície do óxido de cobre promovem a oxidação do hidrogênio, mas inibem a oxidação do monóxido de carbono, permitindo-lhes orientar as reações de oxidação. Eles foram capazes de observar essas mudanças rápidas com dois métodos de espectroscopia complementares que não foram usados ​​desta forma. Os resultados deste trabalho foram publicados na revista Proceedings, da Academia Nacional de Ciências (“Ajustando a reatividade superficial de óxidos por espécies de peróxidos”). “O cobre é uma das superfícies mais estudadas e relevantes, tanto na catálise como na ciência da corrosão”, explicou Anibal Boscoboinik, cientista de materiais do CFN. “Tantas peças mecânicas utilizadas na indústria são feitas de cobre, por isso é muito importante tentar entender esse elemento dos processos de corrosão.” “Sempre gostei de observar sistemas de cobre”, disse Ashley Head, também cientista de materiais do CFN. “Eles têm propriedades e reações muito interessantes, algumas das quais são realmente impressionantes.” Obter uma melhor compreensão dos catalisadores de óxido dá aos pesquisadores mais controle das reações químicas que eles produzem, incluindo soluções para energia limpa. O cobre, por exemplo, pode formar cataliticamente e converter metanol em combustíveis valiosos, portanto, ser capaz de controlar a quantidade de oxigênio e o número de elétrons no cobre é um passo fundamental para reações químicas eficientes.

Peróxido como proxy

Peróxidos são compostos químicos que contêm dois átomos de oxigênio ligados por elétrons compartilhados. A ligação nos peróxidos é bastante fraca, permitindo que outros produtos químicos alterem a sua estrutura, o que os torna muito reativos. Neste experimento, os cientistas conseguiram alterar as etapas redox das reações de oxidação catalítica em uma superfície de cobre oxidado (CuO), identificando a composição de espécies de peróxido formadas com diferentes gases: O2 (oxigênio), H2 (hidrogênio) e CO (monóxido de carbono). Energia de ligação e localização de formação de peróxido (OO) no Óxido de Cobre (CuO). (Imagem: BNL) Redox é uma combinação de redução e oxidação. Neste processo, o agente oxidante ganha um elétron e o agente redutor perde um elétron. Ao comparar essas diferentes espécies de peróxido e como essas etapas ocorreram, os pesquisadores descobriram que uma camada superficial de peróxido aumentou significativamente a redutibilidade do CuO em favor do H2 oxidação. Eles também descobriram que, por outro lado, agia como um inibidor para suprimir a redução do CuO contra a oxidação do CO (monóxido de carbono). Eles descobriram que esse efeito oposto do peróxido nas duas reações de oxidação decorre da modificação dos locais da superfície onde a reação ocorre. Ao encontrar estes locais de ligação e aprender como eles promovem ou inibem a oxidação, os cientistas podem usar estes gases para obter mais controlo sobre como estas reacções se desenrolam. Porém, para ajustar essas reações, os cientistas tiveram que ter uma visão clara do que estava acontecendo.

As ferramentas certas para o trabalho

Estudando esta reação no local foi importante para a equipe, pois os peróxidos são muito reativos e essas mudanças acontecem rapidamente. Sem as ferramentas ou o ambiente certos, é difícil captar um momento tão limitado na superfície. Espécies de peróxido em superfícies de cobre nunca foram observadas usando espectroscopia infravermelha (IR) in-situ no passado. Com esta técnica, os investigadores utilizam a radiação infravermelha para obter uma melhor compreensão das propriedades químicas de um material, observando a forma como a radiação é absorvida ou refletida sob condições de reação. Nesta experiência, os cientistas conseguiram diferenciar “espécies” de peróxido, com variações muito ligeiras no oxigénio que transportavam, o que de outra forma seria muito difícil de identificar numa superfície de óxido metálico. “Fiquei muito animado quando estava olhando os espectros infravermelhos dessas espécies de peróxidos em uma superfície e vi que não havia muitas publicações. Foi emocionante podermos ver essas diferenças usando uma técnica que não é amplamente aplicada a esse tipo de espécie”, lembrou Head. A espectroscopia infravermelha por si só não foi suficiente para ter certeza, e é por isso que a equipe também usou outra técnica de espectroscopia chamada espectroscopia de fotoelétrons de raios X de pressão ambiente (XPS). XPS usa raios X de energia mais baixa para expulsar elétrons da amostra. A energia desses elétrons dá aos cientistas pistas sobre as propriedades químicas dos átomos da amostra. Ter ambas as técnicas disponíveis através do Programa Usuário CFN foi fundamental para tornar esta pesquisa possível. “Uma das coisas de que nos orgulhamos são os instrumentos que temos e modificamos aqui”, disse Boscoboinik. “Nossos instrumentos estão conectados, para que os usuários possam movimentar a amostra em um ambiente controlado entre essas duas técnicas e estudá-las in loco para obter informações complementares. Na maioria das outras circunstâncias, um usuário teria que retirar a amostra para ir para um instrumento diferente, e essa mudança de ambiente poderia alterar sua superfície.” “Uma característica interessante do CFN reside não apenas em suas instalações científicas de última geração, mas também nas oportunidades que oferece para treinar jovens pesquisadores”, disse Guangwen Zhou, professor da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas Thomas J. Watson. Departamento de Engenharia Mecânica e programa de Ciência de Materiais da Universidade de Binghamton. ”Cada um dos alunos envolvidos se beneficiou de uma ampla experiência prática nas ferramentas de microscopia e espectroscopia disponíveis no CFN.” Este trabalho foi realizado com a contribuição de quatro estudantes de doutorado do grupo de Zhou: Yaguang Zhu e Jianyu Wang, os primeiros coautores deste artigo, e Shyam Patel e Chaoran Li. Todos esses alunos estão em início de carreira, tendo acabado de obter o doutorado em 2022.

Descobertas Futuras

Os resultados deste estudo podem ser aplicados a outros tipos de reações e outros catalisadores além do cobre. Essas descobertas e os processos e técnicas que levaram os cientistas até lá poderiam encontrar seu caminho em pesquisas relacionadas. Os óxidos metálicos são amplamente utilizados como catalisadores ou como componentes de catalisadores. Ajustar a formação de peróxido em outros óxidos pode ser uma forma de bloquear ou melhorar as reações de superfície durante outros processos catalíticos. “Estou envolvido em alguns outros projetos relacionados ao cobre e aos óxidos de cobre, incluindo a transformação de dióxido de carbono em metanol para uso como combustível para energia limpa”, disse Head. “Observar esses peróxidos na mesma superfície que utilizo tem o potencial de causar impacto em outros projetos que utilizam cobre e outros óxidos metálicos.”

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