Forskare använder peroxid för att titta in i metalloxidreaktioner

07 april 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskare vid Binghamton University ledde forskningssamarbete med Center for Functional Nanomaterials (CFN) – en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science vid Brookhaven National Laboratory – för att få en bättre titt på hur peroxider på ytan av kopparoxid främjar oxidationen av väte men hämmar oxidationen av kolmonoxid, vilket gör att de kan styra oxidationsreaktioner. De kunde observera dessa snabba förändringar med två komplementära spektroskopimetoder som inte har använts på detta sätt. Resultaten av detta arbete har publicerats i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ("Justera ytreaktiviteten hos oxider efter peroxidarter"). "Koppar är en av de mest studerade och relevanta ytorna, både inom katalys och korrosionsvetenskap", förklarade Anibal Boscoboinik, materialvetare vid CFN. "Så många mekaniska delar som används i industrin är gjorda av koppar, så att försöka förstå denna del av korrosionsprocesserna är mycket viktigt." "Jag har alltid tyckt om att titta på kopparsystem", säger Ashley Head som också är materialvetare på CFN. "De har så intressanta egenskaper och reaktioner, av vilka några är riktigt slående." Att få en bättre förståelse för oxidkatalysatorer ger forskarna mer kontroll över de kemiska reaktionerna de producerar, inklusive lösningar för ren energi. Koppar, till exempel, kan katalytiskt bilda och omvandla metanol till värdefulla bränslen, så att kunna kontrollera mängden syre och antalet elektroner på koppar är ett nyckelsteg för effektiva kemiska reaktioner.

Peroxid som proxy

Peroxider är kemiska föreningar som innehåller två syreatomer sammanlänkade av delade elektroner. Bindningen i peroxider är ganska svag, vilket gör att andra kemikalier kan ändra sin struktur, vilket gör dem mycket reaktiva. I detta experiment kunde forskare ändra redoxstegen för katalytiska oxidationsreaktioner på en oxiderad kopparyta (CuO) genom att identifiera sammansättningen av peroxidarter som bildas med olika gaser: O2 (syre), H2 (väte) och CO (kolmonoxid). Bindningsenergi och lokalisering av peroxidbildning (OO) på kopparoxid (CuO). (Bild: BNL) Redox är en kombination av reduktion och oxidation. I denna process får oxidationsmedlet en elektron och reduktionsmedlet förlorar en elektron. När man jämförde dessa olika peroxidarter och hur dessa steg fungerade, fann forskarna att ett ytskikt av peroxid signifikant förbättrade CuO-reducerbarheten till förmån för H2 oxidation. De fann också att det å andra sidan fungerade som en hämmare för att undertrycka CuO-reduktion mot CO (kolmonoxid) oxidation. De fann att denna motsatta effekt av peroxiden på de två oxidationsreaktionerna härrör från modifieringen av ytplatserna där reaktionen äger rum. Genom att hitta dessa bindningsställen och lära sig hur de främjar eller hämmar oxidation, kan forskare använda dessa gaser för att få mer kontroll över hur dessa reaktioner utspelar sig. Men för att kunna finjustera dessa reaktioner var forskare tvungna att få en tydlig bild av vad som hände.

Rätt verktyg för jobbet

Studerar denna reaktion in situ var viktigt för laget, eftersom peroxider är mycket reaktiva och dessa förändringar sker snabbt. Utan rätt verktyg eller miljö är det svårt att fånga ett så begränsat ögonblick på ytan. Peroxidarter på kopparytor observerades aldrig med in-situ infraröd (IR) spektroskopi tidigare. Med denna teknik använder forskare infraröd strålning för att få en bättre förståelse av ett materials kemiska egenskaper genom att titta på hur strålningen absorberas eller reflekteras under reaktionsförhållanden. I det här experimentet kunde forskare särskilja "arter" av peroxid, med mycket små variationer i det syre de bar på, vilket annars skulle ha varit mycket svårt att identifiera på en metalloxidyta. "Jag blev riktigt upphetsad när jag tittade upp de infraröda spektra av dessa peroxidarter på en yta och såg att det inte fanns många publikationer. Det var spännande att vi kunde se dessa skillnader med en teknik som inte är allmänt tillämpad på den här typen av arter, "mindes Head. IR-spektroskopi i sig var dock inte tillräckligt för att vara säker, varför teamet också använde en annan spektroskopiteknik som kallas omgivande tryckröntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). XPS använder röntgenstrålar med lägre energi för att sparka ut elektroner ur provet. Energin hos dessa elektroner ger forskare ledtrådar om de kemiska egenskaperna hos atomerna i provet. Att ha båda teknikerna tillgängliga via CFN User Program var nyckeln till att göra denna forskning möjlig. "En av de saker som vi är stolta över är de instrument som vi har och modifierat här," sa Boscoboinik. "Våra instrument är anslutna, så att användare kan flytta provet i en kontrollerad miljö mellan dessa två tekniker och studera dem på plats för att få kompletterande information. I de flesta andra omständigheter skulle en användare behöva ta ut provet för att gå till ett annat instrument, och den förändringen av miljön kan förändra dess yta." "En trevlig egenskap hos CFN ligger inte bara i dess toppmoderna faciliteter för vetenskap, utan också i möjligheterna att utbilda unga forskare", säger Guangwen Zhou professor vid Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science's Institutionen för maskinteknik och materialvetenskapsprogrammet vid Binghamton University. "Var och en av de inblandade studenterna har dragit nytta av omfattande, praktisk erfarenhet av mikroskopi- och spektroskopiverktyg som finns tillgängliga på CFN." Detta arbete utfördes med bidrag från fyra doktorander i Zhous grupp: Yaguang Zhu och Jianyu Wang, de första medförfattarna till denna artikel, och Shyam Patel och Chaoran Li. Alla dessa studenter är tidigt i sin karriär och har precis tagit sin doktorsexamen 2022.

Framtida rön

Resultaten av denna studie kan gälla andra typer av reaktioner och andra katalysatorer förutom koppar. Dessa fynd och de processer och tekniker som ledde forskare dit kunde hitta sina vägar in i relaterad forskning. Metalloxider används i stor utsträckning som själva katalysatorer eller komponenter i katalysatorer. Att justera peroxidbildning på andra oxider kan vara ett sätt att blockera eller förstärka ytreaktioner under andra katalytiska processer. "Jag är involverad i några andra projekt relaterade till koppar och kopparoxider, inklusive att omvandla koldioxid till metanol för att använda som bränsle för ren energi", säger Head. "Att titta på dessa peroxider på samma yta som jag använder har potential att påverka andra projekt som använder koppar och andra metalloxider."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php