Các nhà khoa học sử dụng peroxide để quan sát các phản ứng oxit kim loại

07 Tháng Tư, 2023 (Tin tức Nanowerk) Các nhà nghiên cứu tại Đại học Binghamton đã hợp tác nghiên cứu với Trung tâm Vật liệu nano Chức năng (CFN)—Văn phòng Cơ sở Người dùng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven—để hiểu rõ hơn về cách peroxit trên bề mặt oxit đồng thúc đẩy quá trình oxy hóa hydro nhưng ức chế quá trình oxy hóa carbon monoxide, cho phép chúng điều khiển các phản ứng oxy hóa. Họ có thể quan sát những thay đổi nhanh chóng này bằng hai phương pháp quang phổ miễn phí chưa từng được sử dụng theo cách này. Kết quả của công việc này đã được công bố trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (“Điều chỉnh khả năng phản ứng bề mặt của oxit bằng các loại peroxide”). Anibal Boscoboinik, nhà khoa học vật liệu tại CFN giải thích: “Đồng là một trong những bề mặt được nghiên cứu nhiều nhất và phù hợp nhất, cả trong khoa học xúc tác và ăn mòn. “Rất nhiều bộ phận cơ khí được sử dụng trong công nghiệp được làm bằng đồng, vì vậy việc cố gắng hiểu yếu tố này của quá trình ăn mòn là rất quan trọng.” Ashley Head cũng là một nhà khoa học vật liệu tại CFN cho biết: “Tôi luôn thích nhìn vào các hệ thống đồng. “Chúng có những đặc tính và phản ứng thú vị, một số trong đó thực sự ấn tượng.” Hiểu rõ hơn về chất xúc tác oxit giúp các nhà nghiên cứu kiểm soát tốt hơn các phản ứng hóa học mà chúng tạo ra, bao gồm cả các giải pháp cho năng lượng sạch. Ví dụ, đồng có thể xúc tác hình thành và chuyển đổi metanol thành nhiên liệu có giá trị, do đó, khả năng kiểm soát lượng oxy và số lượng electron trên đồng là một bước quan trọng để có phản ứng hóa học hiệu quả.

Peroxide như một Proxy

Peroxit là các hợp chất hóa học có chứa hai nguyên tử oxy được liên kết bởi các electron dùng chung. Liên kết trong peroxit khá yếu, cho phép các hóa chất khác thay đổi cấu trúc của nó, khiến chúng phản ứng mạnh. Trong thí nghiệm này, các nhà khoa học có thể thay đổi các bước oxi hóa khử của các phản ứng oxi hóa xúc tác trên bề mặt đồng bị oxi hóa (CuO) bằng cách xác định thành phần của các loại peroxit được hình thành với các loại khí khác nhau: O2 (oxy), H2 (hydro) và CO (cacbon monoxit). Năng lượng liên kết và vị trí hình thành peroxide (OO) trên Copper Oxide (CuO). (Ảnh: BNL) Oxy hóa khử là sự kết hợp giữa quá trình khử và quá trình oxy hóa. Trong quá trình này, chất oxi hóa nhận một electron và chất khử mất một electron. Khi so sánh các loại peroxide khác nhau này và các bước này diễn ra như thế nào, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng một lớp peroxide bề mặt đã tăng cường đáng kể khả năng khử CuO theo hướng có lợi cho H2 Quá trình oxy hóa. Mặt khác, họ cũng phát hiện ra rằng nó hoạt động như một chất ức chế để ngăn chặn quá trình khử CuO chống lại quá trình oxy hóa CO (cacbon monoxide). Họ phát hiện ra rằng tác dụng ngược lại của peroxide đối với hai phản ứng oxy hóa bắt nguồn từ sự thay đổi vị trí bề mặt nơi phản ứng diễn ra. Bằng cách tìm ra các vị trí liên kết này và tìm hiểu cách chúng thúc đẩy hoặc ức chế quá trình oxy hóa, các nhà khoa học có thể sử dụng các loại khí này để kiểm soát nhiều hơn cách thức các phản ứng này diễn ra. Tuy nhiên, để điều chỉnh những phản ứng này, các nhà khoa học phải có cái nhìn rõ ràng về những gì đang xảy ra.

Các công cụ phù hợp cho công việc

Nghiên cứu phản ứng này trên trang web rất quan trọng đối với nhóm, vì peroxit rất dễ phản ứng và những thay đổi này diễn ra nhanh chóng. Nếu không có các công cụ hoặc môi trường phù hợp, thật khó để bắt được một khoảnh khắc giới hạn như vậy trên bề mặt. Các loại peroxide trên bề mặt đồng chưa bao giờ được quan sát bằng quang phổ hồng ngoại (IR) tại chỗ trong quá khứ. Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu sử dụng bức xạ hồng ngoại để hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của vật liệu bằng cách xem xét cách bức xạ được hấp thụ hoặc phản xạ trong các điều kiện phản ứng. Trong thí nghiệm này, các nhà khoa học đã có thể phân biệt “loài” peroxide, với những thay đổi rất nhỏ về oxy mà chúng mang theo, mà nếu không sẽ rất khó xác định trên bề mặt oxit kim loại. “Tôi thực sự phấn khích khi tra cứu quang phổ hồng ngoại của các loại peroxide này trên một bề mặt và thấy rằng không có nhiều công bố. Thật thú vị khi chúng tôi có thể thấy những khác biệt này bằng cách sử dụng một kỹ thuật không được áp dụng rộng rãi cho những loài này,” Head nhớ lại. Mặc dù vậy, quang phổ hồng ngoại không đủ để chắc chắn, đó là lý do tại sao nhóm nghiên cứu cũng sử dụng một kỹ thuật quang phổ khác gọi là Quang phổ quang điện tử tia X áp suất xung quanh (XPS). XPS sử dụng tia X năng lượng thấp hơn để loại bỏ các electron ra khỏi mẫu. Năng lượng của các electron này cung cấp cho các nhà khoa học manh mối về tính chất hóa học của các nguyên tử trong mẫu. Có sẵn cả hai kỹ thuật thông qua Chương trình người dùng CFN là chìa khóa để thực hiện nghiên cứu này. Boscoboinik cho biết: “Một trong những điều mà chúng tôi tự hào là các nhạc cụ mà chúng tôi có và đã sửa đổi ở đây. “Các thiết bị của chúng tôi được kết nối, vì vậy người dùng có thể di chuyển mẫu trong môi trường được kiểm soát giữa hai kỹ thuật này và nghiên cứu chúng tại chỗ để nhận thông tin bổ sung. Trong hầu hết các trường hợp khác, người dùng sẽ phải lấy mẫu ra để chuyển sang một thiết bị khác và sự thay đổi môi trường đó có thể làm thay đổi bề mặt của nó.” Giáo sư Guangwen Zhou tại Đại học Khoa học Ứng dụng và Kỹ thuật Thomas J. Watson cho biết: “Một điểm hay của CFN không chỉ nằm ở cơ sở vật chất hiện đại dành cho khoa học, mà còn là cơ hội mà nó cung cấp để đào tạo các nhà nghiên cứu trẻ”. Khoa Cơ khí và chương trình Khoa học Vật liệu tại Đại học Binghamton. ”Mỗi sinh viên tham gia đều được hưởng lợi từ kinh nghiệm thực tế sâu rộng về kính hiển vi và các công cụ quang phổ có sẵn tại CFN.” Công trình này được hoàn thành với sự đóng góp của bốn nghiên cứu sinh trong nhóm của Zhou: Yaguang Zhu và Jianyu Wang, đồng tác giả đầu tiên của bài báo này, và Shyam Patel và Chaoran Li. Tất cả những sinh viên này đều đang ở giai đoạn đầu của sự nghiệp, vừa lấy bằng tiến sĩ vào năm 2022.

Những phát hiện trong tương lai

Kết quả của nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại phản ứng khác và các chất xúc tác khác ngoài đồng. Những phát hiện này cũng như các quy trình và kỹ thuật đã dẫn dắt các nhà khoa học ở đó có thể tìm đường vào nghiên cứu liên quan. Các oxit kim loại được sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác hoặc thành phần trong chất xúc tác. Điều chỉnh sự hình thành peroxide trên các oxit khác có thể là một cách để ngăn chặn hoặc tăng cường các phản ứng bề mặt trong các quá trình xúc tác khác. Head cho biết: “Tôi đang tham gia vào một số dự án khác liên quan đến đồng và oxit đồng, bao gồm chuyển đổi carbon dioxide thành metanol để sử dụng làm nhiên liệu cho năng lượng sạch. “Nhìn vào những peroxit này trên cùng một bề mặt mà tôi sử dụng có khả năng tạo ra tác động đối với các dự án khác sử dụng đồng và các oxit kim loại khác.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php