Ученые используют пероксид, чтобы заглянуть в реакции оксида металла

07 апреля 2023 г. (Новости Наноуэрк) Исследователи из Бингемтонского университета провели исследование в партнерстве с Центром функциональных наноматериалов (CFN) — Центром научных исследований Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории — чтобы лучше понять, как пероксиды на поверхности оксида меди способствуют окислению водорода, но подавляют окисление монооксида углерода, позволяя им управлять реакциями окисления. Они смогли наблюдать эти быстрые изменения с помощью двух дополнительных методов спектроскопии, которые ранее не использовались таким образом. Результаты работы опубликованы в журнале Труды Национальной академии наук («Настройка поверхностной реакционной способности оксидов по пероксидным соединениям»). «Медь — одна из наиболее изученных и актуальных поверхностей как в катализе, так и в коррозионной науке», — пояснил Анибал Боскобойник, материаловед из CFN. «Так много механических деталей, которые используются в промышленности, сделаны из меди, поэтому попытка понять этот элемент процессов коррозии очень важна». «Мне всегда нравилось смотреть на медные системы, — говорит Эшли Хед, также ученый-материаловед из CFN. «У них такие интересные свойства и реакции, некоторые из которых действительно поразительны». Лучшее понимание оксидных катализаторов дает исследователям больший контроль над химическими реакциями, которые они производят, включая решения для чистой энергии. Медь, например, может каталитически образовывать и преобразовывать метанол в ценное топливо, поэтому возможность контролировать количество кислорода и количество электронов на меди является ключевым шагом к эффективным химическим реакциям.

Пероксид как прокси

Пероксиды представляют собой химические соединения, содержащие два атома кислорода, связанные общими электронами. Связь в пероксидах довольно слабая, что позволяет другим химическим веществам изменять свою структуру, что делает их очень реакционноспособными. В этом эксперименте ученые смогли изменить окислительно-восстановительные стадии реакций каталитического окисления на поверхности окисленной меди (CuO), определив состав пероксидных соединений, образующихся с различными газами: O2 (кислород), Н2 (водород) и CO (окись углерода). Энергия связи и место образования пероксида (OO) на оксиде меди (CuO). (Изображение: BNL) Окислительно-восстановительный потенциал представляет собой комбинацию восстановления и окисления. В этом процессе окислитель получает электрон, а восстановитель теряет электрон. При сравнении этих различных видов пероксидов и того, как эти этапы протекают, исследователи обнаружили, что поверхностный слой пероксида значительно увеличивает способность к восстановлению CuO в пользу H.2 окисление. Они также обнаружили, что, с другой стороны, он действовал как ингибитор, подавляющий восстановление CuO против окисления CO (окиси углерода). Они обнаружили, что это противоположное влияние пероксида на две реакции окисления связано с модификацией участков поверхности, где происходит реакция. Найдя эти места связывания и изучив, как они способствуют или подавляют окисление, ученые могут использовать эти газы, чтобы лучше контролировать ход этих реакций. Однако, чтобы настроить эти реакции, ученым нужно было получить четкое представление о том, что происходит.

Правильные инструменты для работы

Изучение этой реакции на месте было важно для команды, поскольку пероксиды очень реакционноспособны, и эти изменения происходят быстро. Без правильных инструментов или среды трудно поймать такой ограниченный момент на поверхности. В прошлом пероксидные соединения на медных поверхностях никогда не наблюдались с помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии на месте. С помощью этого метода исследователи используют инфракрасное излучение, чтобы лучше понять химические свойства материала, наблюдая за тем, как излучение поглощается или отражается в условиях реакции. В этом эксперименте ученые смогли различать «виды» перекиси с очень небольшими изменениями в кислороде, который они несли, что в противном случае было бы очень трудно идентифицировать на поверхности оксида металла. «Я очень обрадовался, когда просмотрел инфракрасные спектры этих пероксидных соединений на поверхности и увидел, что публикаций было немного. Было захватывающе, что мы смогли увидеть эти различия, используя метод, который широко не применяется к таким видам», — вспоминает Хед. Однако одной ИК-спектроскопии было недостаточно, чтобы быть уверенным, поэтому команда также использовала другой метод спектроскопии, называемый рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией при атмосферном давлении (XPS). XPS использует рентгеновское излучение более низкой энергии, чтобы выбить электроны из образца. Энергия этих электронов дает ученым ключ к пониманию химических свойств атомов в образце. Наличие обоих методов, доступных через Пользовательскую программу CFN, было ключом к тому, чтобы сделать это исследование возможным. «Одна из вещей, которыми мы гордимся, — это инструменты, которые у нас есть и модифицированы здесь», — сказал Боскобойник. «Наши инструменты подключены, поэтому пользователи могут перемещать образец в контролируемой среде между этими двумя методами и изучать их на месте, чтобы получить дополнительную информацию. В большинстве других случаев пользователю придется взять образец, чтобы перейти к другому прибору, и это изменение окружающей среды может изменить его поверхность». «Приятная особенность CFN заключается не только в ее ультрасовременном оборудовании для научных исследований, но и в возможностях, которые она предоставляет для обучения молодых исследователей», — сказал профессор Гуанвэнь Чжоу из Колледжа инженерии и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона. Департамент машиностроения и программы материаловедения Бингемтонского университета. «Каждый из вовлеченных студентов получил пользу от обширного практического опыта работы с инструментами микроскопии и спектроскопии, доступными в CFN». Эта работа была выполнена при участии четырех аспирантов из группы Чжоу: Ягуан Чжу и Цзяньюй Ван, первых соавторов этой статьи, а также Шьяма Пателя и Чаорана Ли. Все эти студенты находятся в начале своей карьеры, получив степень доктора философии только в 2022 году.

Будущие выводы

Результаты этого исследования могут быть применимы к другим типам реакций и другим катализаторам, помимо меди. Эти открытия, а также процессы и методы, которые привели ученых туда, могут найти применение в соответствующих исследованиях. Оксиды металлов широко используются в качестве самих катализаторов или компонентов катализаторов. Настройка образования пероксида на других оксидах может быть способом блокировать или усиливать поверхностные реакции во время других каталитических процессов. «Я участвую в некоторых других проектах, связанных с медью и оксидами меди, включая преобразование углекислого газа в метанол для использования в качестве топлива для экологически чистой энергии», — сказал Хед. «Глядя на эти пероксиды на той же поверхности, которую я использую, можно повлиять на другие проекты, использующие медь и другие оксиды металлов».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php