นักวิทยาศาสตร์ใช้เปอร์ออกไซด์เพื่อสำรวจปฏิกิริยาออกไซด์ของโลหะ

07 เม.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Binghamton นำการวิจัยโดยเป็นพันธมิตรกับ Center for Functional Nanomaterials (CFN) ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven เพื่อดูรายละเอียดว่าเปอร์ออกไซด์บนพื้นผิวของคอปเปอร์ออกไซด์ได้ดียิ่งขึ้นอย่างไร ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจน แต่ยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของคาร์บอนมอนอกไซด์ ทำให้พวกมันควบคุมปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ พวกเขาสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเหล่านี้ได้ด้วยวิธีสเปกโทรสโกปีฟรีสองวิธีที่ไม่ได้ใช้ในลักษณะนี้ ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารแล้ว กิจการของ National Academy of Sciences (“การปรับปฏิกิริยาพื้นผิวของออกไซด์ตามสายพันธุ์เปอร์ออกไซด์”). “ทองแดงเป็นหนึ่งในพื้นผิวที่ได้รับการศึกษาและเกี่ยวข้องมากที่สุด ทั้งในด้านตัวเร่งปฏิกิริยาและวิทยาศาสตร์การกัดกร่อน” Anibal Boscoboinik นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของ CFN อธิบาย “ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลจำนวนมากที่ใช้ในอุตสาหกรรมนั้นทำจากทองแดง ดังนั้นการพยายามทำความเข้าใจองค์ประกอบของกระบวนการกัดกร่อนจึงมีความสำคัญมาก” “ฉันชอบดูระบบทองแดงมาโดยตลอด” Ashley Head ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่ CFN กล่าว “พวกมันมีคุณสมบัติและปฏิกิริยาที่น่าสนใจ ซึ่งบางส่วนก็น่าทึ่งจริงๆ” การทำความเข้าใจตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ได้ดีขึ้นช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมปฏิกิริยาเคมีที่ผลิตได้มากขึ้น รวมถึงสารละลายสำหรับพลังงานสะอาด ตัวอย่างเช่น ทองแดงสามารถเร่งปฏิกิริยาก่อตัวและเปลี่ยนเมทานอลให้เป็นเชื้อเพลิงอันมีค่าได้ ดังนั้นการควบคุมปริมาณออกซิเจนและจำนวนอิเล็กตรอนบนทองแดงจึงเป็นก้าวสำคัญในปฏิกิริยาเคมีที่มีประสิทธิภาพ

เปอร์ออกไซด์เป็นตัวแทน

เปอร์ออกไซด์เป็นสารประกอบทางเคมีที่มีอะตอมออกซิเจนสองอะตอมเชื่อมโยงกันด้วยอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน พันธะในเปอร์ออกไซด์ค่อนข้างอ่อน ทำให้สารเคมีอื่นๆ เปลี่ยนโครงสร้างได้ ซึ่งทำให้พวกมันมีปฏิกิริยามาก ในการทดลองนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนขั้นตอนรีดอกซ์ของปฏิกิริยาออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิวทองแดงที่ถูกออกซิไดซ์ (CuO) ได้โดยการระบุส่วนประกอบของเปอร์ออกไซด์สายพันธุ์ที่เกิดขึ้นจากก๊าซต่างๆ: O2 (ออกซิเจน), H2 (ไฮโดรเจน) และ CO (คาร์บอนมอนอกไซด์) พลังงานยึดเหนี่ยวและตำแหน่งของการเกิดเปอร์ออกไซด์ (OO) บนคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO) (ภาพ: BNL) รีดอกซ์คือการรวมกันของการรีดักชั่นและออกซิเดชัน ในกระบวนการนี้ ตัวออกซิไดซ์จะได้รับอิเล็กตรอน และตัวรีดิวซ์จะสูญเสียอิเล็กตรอน เมื่อเปรียบเทียบเปอร์ออกไซด์ชนิดต่างๆ เหล่านี้และวิธีดำเนินการของขั้นตอนเหล่านี้ นักวิจัยพบว่าชั้นผิวของเปอร์ออกไซด์ช่วยเพิ่มความสามารถในการลด CuO ให้กับ H ได้อย่างมีนัยสำคัญ2 ออกซิเดชัน. พวกเขายังพบว่าในทางกลับกัน มันทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งในการยับยั้งการลด CuO ต่อการเกิดออกซิเดชันของ CO (คาร์บอนมอนอกไซด์) พวกเขาพบว่าผลตรงกันข้ามของเปอร์ออกไซด์ต่อปฏิกิริยาออกซิเดชันทั้งสองเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งพื้นผิวที่เกิดปฏิกิริยา ด้วยการค้นหาตำแหน่งพันธะเหล่านี้และเรียนรู้วิธีที่พวกมันส่งเสริมหรือยับยั้งการเกิดออกซิเดชัน นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ก๊าซเหล่านี้เพื่อควบคุมการเกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ได้มากขึ้น เพื่อที่จะปรับปฏิกิริยาเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องเข้าใจให้ชัดเจนว่าเกิดอะไรขึ้น

เครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงาน

กำลังศึกษาปฏิกิริยานี้ ในแหล่งกำเนิด มีความสำคัญต่อทีม เนื่องจากเปอร์ออกไซด์มีปฏิกิริยาสูงและการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว หากไม่มีเครื่องมือหรือสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม ก็ยากที่จะจับภาพช่วงเวลาที่มีจำกัดเช่นนี้ได้ ไม่เคยมีการสังเกตสายพันธุ์เปอร์ออกไซด์บนพื้นผิวทองแดงโดยใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดในแหล่งกำเนิด (IR) ในอดีต ด้วยเทคนิคนี้ นักวิจัยใช้รังสีอินฟราเรดเพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุได้ดีขึ้น โดยดูจากวิธีที่รังสีถูกดูดซับหรือสะท้อนภายใต้สภาวะของปฏิกิริยา ในการทดลองนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกแยะ "ชนิด" ของเปอร์ออกไซด์ได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในออกซิเจนที่พวกมันบรรทุกอยู่ ซึ่งหากไม่เช่นนั้น ยากที่จะระบุบนพื้นผิวของโลหะออกไซด์ “ฉันรู้สึกตื่นเต้นมากเมื่อมองดูสเปกตรัมอินฟราเรดของเปอร์ออกไซด์สายพันธุ์เหล่านี้บนพื้นผิว และพบว่ามีสิ่งพิมพ์ไม่มากนัก เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่เราได้เห็นความแตกต่างเหล่านี้โดยใช้เทคนิคที่ไม่ได้นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายกับสายพันธุ์เหล่านี้” เฮดเล่า IR สเปกโทรสโกปีเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอที่จะแน่ใจ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมทีมงานจึงใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีอื่นที่เรียกว่า X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ความดันบรรยากาศ XPS ใช้พลังงานรังสีเอกซ์ที่ต่ำกว่าเพื่อไล่อิเล็กตรอนออกจากตัวอย่าง พลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบเบาะแสเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมในตัวอย่าง การมีทั้งสองเทคนิคผ่านโปรแกรมผู้ใช้ CFN ถือเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้การวิจัยนี้เป็นไปได้ “สิ่งหนึ่งที่เราภูมิใจคือเครื่องดนตรีที่เรามีและดัดแปลงที่นี่” Boscoboinik กล่าว “เครื่องมือของเราเชื่อมต่อกัน ดังนั้นผู้ใช้สามารถย้ายตัวอย่างในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมระหว่างเทคนิคทั้งสองนี้ และศึกษาในแหล่งกำเนิดเพื่อรับข้อมูลเสริม ในสถานการณ์อื่นๆ ส่วนใหญ่ ผู้ใช้จะต้องนำตัวอย่างออกไปเพื่อไปที่เครื่องมืออื่น และการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมอาจทำให้พื้นผิวของมันเปลี่ยนไปได้” “คุณลักษณะที่ดีของ CFN ไม่เพียงแต่อยู่ที่สิ่งอำนวยความสะดวกด้านวิทยาศาสตร์ที่ล้ำสมัยเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโอกาสในการฝึกอบรมนักวิจัยรุ่นเยาว์ด้วย” ศาสตราจารย์ Guangwen Zhou จากวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ Thomas J. Watson กล่าว ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและหลักสูตรวัสดุศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน ”นักเรียนแต่ละคนที่เกี่ยวข้องได้รับประโยชน์จากประสบการณ์ตรงที่กว้างขวางในด้านกล้องจุลทรรศน์และเครื่องมือสเปกโทรสโกปีที่ CFN” งานนี้สำเร็จได้ด้วยการมีส่วนร่วมของนักศึกษาปริญญาเอกสี่คนในกลุ่มของ Zhou ได้แก่ Yaguang Zhu และ Jianyu Wang ผู้ร่วมเขียนบทความนี้คนแรก และ Shyam Patel และ Chaoran Li นักศึกษาทั้งหมดนี้อยู่ในช่วงเริ่มต้นอาชีพ โดยเพิ่งได้รับปริญญาเอกในปี 2022

การค้นพบในอนาคต

ผลการศึกษานี้อาจนำไปใช้กับปฏิกิริยาประเภทอื่นและตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นนอกเหนือจากทองแดง การค้นพบเหล่านี้ตลอดจนกระบวนการและเทคนิคที่นำนักวิทยาศาสตร์ไปที่นั่นสามารถหาแนวทางในการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้ โลหะออกไซด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเป็นส่วนประกอบในตัวเร่งปฏิกิริยา การปรับการก่อตัวของเปอร์ออกไซด์บนออกไซด์อื่นๆ อาจเป็นวิธีหนึ่งในการปิดกั้นหรือเพิ่มปฏิกิริยาของพื้นผิวในระหว่างกระบวนการเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ “ฉันมีส่วนร่วมในโครงการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับทองแดงและคอปเปอร์ออกไซด์ รวมถึงการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเมทานอลเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับพลังงานสะอาด” หัวหน้ากล่าว “การดูเปอร์ออกไซด์เหล่านี้บนพื้นผิวเดียวกับที่ฉันใช้มีศักยภาพที่จะสร้างผลกระทบต่อโครงการอื่นๆ ที่ใช้ทองแดงและโลหะออกไซด์อื่นๆ”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php