Oamenii de știință folosesc peroxidul pentru a observa reacțiile de oxid de metal

07 aprilie 2023 (Știri Nanowerk) Cercetătorii de la Universitatea Binghamton au condus cercetări în parteneriat cu Centrul pentru Nanomateriale Funcționale (CFN) — un serviciu de utilizare științific al Departamentului de Energie al SUA (DOE) de la Laboratorul Național Brookhaven — pentru a vedea mai bine cum peroxizii de pe suprafața oxidului de cupru promovează oxidarea hidrogenului, dar inhibă oxidarea monoxidului de carbon, permițându-le să conducă reacțiile de oxidare. Ei au putut observa aceste schimbări rapide cu două metode de spectroscopie complementare care nu au fost utilizate în acest mod. Rezultatele acestei lucrări au fost publicate în jurnal Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte („Reglarea reactivității de suprafață a oxizilor în funcție de speciile de peroxid”). „Cupru este una dintre cele mai studiate și relevante suprafețe, atât în ​​​​cataliză, cât și în știința coroziunii”, a explicat Anibal Boscoboinik, cercetător al materialelor la CFN. „Atât de multe piese mecanice care sunt folosite în industrie sunt fabricate din cupru, așa că încercarea de a înțelege acest element al proceselor de coroziune este foarte importantă.” „Întotdeauna mi-a plăcut să mă uit la sisteme de cupru”, a spus Ashley Head, de asemenea, cercetător în materiale la CFN. „Au proprietăți și reacții atât de interesante, dintre care unele sunt cu adevărat uimitoare.” Obținerea unei mai bune înțelegeri a catalizatorilor de oxizi oferă cercetătorilor mai mult control asupra reacțiilor chimice pe care le produc, inclusiv soluții pentru energie curată. Cuprul, de exemplu, poate forma catalitic și poate transforma metanolul în combustibili valoroși, astfel încât capacitatea de a controla cantitatea de oxigen și numărul de electroni de pe cupru este un pas cheie pentru reacții chimice eficiente.

Peroxidul ca proxy

Peroxizii sunt compuși chimici care conțin doi atomi de oxigen legați prin electroni împărtășiți. Legătura dintre peroxizi este destul de slabă, permițând altor substanțe chimice să-și modifice structura, ceea ce le face foarte reactive. În acest experiment, oamenii de știință au reușit să modifice etapele redox ale reacțiilor de oxidare catalitică pe o suprafață de cupru oxidat (CuO) prin identificarea componenței speciilor de peroxid formate cu diferite gaze: O2 (oxigen), H2 (hidrogen) și CO (monoxid de carbon). Energia de legare și locația formării peroxidului (OO) pe oxidul de cupru (CuO). (Imagine: BNL) Redox este o combinație de reducere și oxidare. În acest proces, agentul de oxidare câștigă un electron, iar agentul reducător pierde un electron. Când au comparat aceste specii diferite de peroxid și modul în care s-au desfășurat acești pași, cercetătorii au descoperit că un strat de suprafață de peroxid a îmbunătățit semnificativ reducția CuO în favoarea H.2 oxidare. De asemenea, au descoperit că, pe de altă parte, a acționat ca un inhibitor pentru a suprima reducerea CuO împotriva oxidării CO (monoxid de carbon). Ei au descoperit că acest efect opus al peroxidului asupra celor două reacții de oxidare provine din modificarea locurilor de suprafață în care are loc reacția. Găsind aceste locuri de legătură și învățând cum promovează sau inhibă oxidarea, oamenii de știință pot folosi aceste gaze pentru a obține mai mult control asupra modului în care se desfășoară aceste reacții. Totuși, pentru a regla aceste reacții, oamenii de știință au trebuit să privească clar ce se întâmplă.

Instrumentele potrivite pentru slujbă

Studiind această reacție in situ a fost important pentru echipă, deoarece peroxizii sunt foarte reactivi și aceste schimbări au loc rapid. Fără uneltele sau mediul potrivit, este greu să prindeți un moment atât de limitat la suprafață. Speciile de peroxid de pe suprafețele de cupru nu au fost niciodată observate folosind spectroscopie infraroșu (IR) in situ în trecut. Cu această tehnică, cercetătorii folosesc radiația infraroșie pentru a înțelege mai bine proprietățile chimice ale unui material, uitându-se la modul în care radiația este absorbită sau reflectată în condiții de reacție. În acest experiment, oamenii de știință au reușit să diferențieze „speciile” de peroxid, cu variații foarte ușoare ale oxigenului pe care îl transportau, care altfel ar fi fost foarte greu de identificat pe o suprafață de oxid de metal. „Am fost foarte entuziasmat când mă uitam la spectrele infraroșu ale acestor specii de peroxid de pe o suprafață și am văzut că nu existau multe publicații. A fost interesant că am putut vedea aceste diferențe folosind o tehnică care nu este aplicată pe scară largă acestor tipuri de specii”, a amintit Head. Spectroscopia IR în sine nu a fost suficientă pentru a fi sigur, motiv pentru care echipa a folosit și o altă tehnică de spectroscopie numită spectroscopie fotoelectronă cu raze X (XPS) la presiune ambientală. XPS folosește raze X cu energie mai mică pentru a scoate electronii din probă. Energia acestor electroni oferă oamenilor de știință indicii despre proprietățile chimice ale atomilor din probă. Averea ambelor tehnici disponibile prin Programul pentru utilizatori CFN a fost cheia pentru a face posibilă această cercetare. „Unul dintre lucrurile cu care ne mândrim este instrumentele pe care le avem și pe care le-am modificat aici”, a spus Boscoboinik. „Instrumentele noastre sunt conectate, astfel încât utilizatorii pot muta proba într-un mediu controlat între aceste două tehnici și le pot studia in situ pentru a obține informații complementare. În majoritatea celorlalte circumstanțe, un utilizator ar trebui să scoată eșantionul pentru a merge la un alt instrument, iar acea schimbare a mediului i-ar putea modifica suprafața.” „O caracteristică plăcută a CFN constă nu numai în facilitățile sale de ultimă generație pentru știință, ci și în oportunitățile pe care le oferă de a forma tineri cercetători”, a spus profesorul Guangwen Zhou la Colegiul de Inginerie și Științe Aplicate Thomas J. Watson. Departamentul de Inginerie Mecanică și programul de Știința Materialelor de la Universitatea Binghamton. „Fiecare dintre studenții implicați a beneficiat de o experiență vastă și practică în instrumentele de microscopie și spectroscopie disponibile la CFN.” Această lucrare a fost realizată cu contribuțiile a patru doctoranzi din grupul lui Zhou: Yaguang Zhu și Jianyu Wang, primii co-autori ai acestei lucrări, și Shyam Patel și Chaoran Li. Toți acești studenți sunt la începutul carierei, tocmai și-au obținut doctoratul în 2022.

Descoperiri viitoare

Rezultatele acestui studiu se pot aplica și altor tipuri de reacții și altor catalizatori în afară de cupru. Aceste descoperiri, precum și procesele și tehnicile care i-au condus pe oamenii de știință acolo și-ar putea găsi drumul în cercetările conexe. Oxizii metalici sunt utilizați pe scară largă ca catalizatori înșiși sau componente în catalizatori. Reglarea formării peroxidului pe alți oxizi ar putea fi o modalitate de a bloca sau de a îmbunătăți reacțiile de suprafață în timpul altor procese catalitice. „Sunt implicat în alte proiecte legate de cupru și oxizi de cupru, inclusiv transformarea dioxidului de carbon în metanol pentru a fi folosit ca combustibil pentru energie curată”, a spus Head. „Privirea la acești peroxizi pe aceeași suprafață pe care o folosesc, are potențialul de a avea un impact asupra altor proiecte care folosesc cupru și alți oxizi metalici.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php