科学家使用过氧化物来观察金属氧化物反应

07 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻) 宾厄姆顿大学的研究人员与功能纳米材料中心 (CFN)（美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室) 合作领导了研究，以更好地了解过氧化物在氧化铜表面上的作用促进氢气的氧化，但抑制一氧化碳的氧化，从而使它们能够引导氧化反应。 他们能够使用两种尚未以这种方式使用的互补光谱方法观察这些快速变化。 该工作成果已发表在期刊上 诉讼中的国家科学院院士 (“通过过氧化物调节氧化物的表面反应性”）。 CFN 材料科学家 Anibal Boscoboinik 解释说：“无论是在催化科学还是在腐蚀科学中，铜都是研究最多且相关的表面之一。” “工业中使用的许多机械零件都是由铜制成的，因此尝试了解腐蚀过程的这一要素非常重要。” “我一直喜欢研究铜系统，”CFN 的材料科学家 Ashley Head 说道。 “它们具有如此有趣的特性和反应，其中一些确实令人震惊。” 更好地了解氧化物催化剂使研究人员能够更好地控制它们产生的化学反应，包括清洁能源的解决方案。 例如，铜可以催化形成甲醇并将其转化为有价值的燃料，因此能够控制铜上的氧气量和电子数量是高效化学反应的关键步骤。

过氧化物作为代理

过氧化物是含有两个通过共享电子连接的氧原子的化合物。 过氧化物中的键相当弱，允许其他化学物质改变其结构，这使得它们非常活跃。 在这个实验中，科学家们能够通过识别不同气体形成的过氧化物种类的组成来改变氧化铜表面（CuO）催化氧化反应的氧化还原步骤：2 （氧气），H2 （氢气）和 CO（一氧化碳）。 氧化铜 (CuO) 上过氧化物 (OO) 形成的结合能和位置。 （图片：BNL）氧化还原是还原和氧化的组合。 在此过程中，氧化剂获得电子，还原剂失去电子。 当比较这些不同的过氧化物种类以及这些步骤如何进行时，研究人员发现过氧化物的表面层显着增强了 CuO 的还原性，有利于 H2 氧化。 另一方面，他们还发现，它可以作为抑制剂来抑制 CuO 还原，从而防止 CO（一氧化碳）氧化。 他们发现过氧化物对两个氧化反应的这种相反作用源于发生反应的表面位点的修饰。 通过找到这些键合位点并了解它们如何促进或抑制氧化，科学家可以利用这些气体更好地控制这些反应的进行。 然而，为了调整这些反应，科学家们必须清楚地了解正在发生的事情。

合适的工作工具

研究这个反应 原位 这对团队很重要，因为过氧化物的反应性非常强，而且这些变化发生得很快。 如果没有合适的工具或环境，就很难捕捉到表面上如此有限的时刻。 过去从未使用原位红外 (IR) 光谱法观察到铜表面上的过氧化物物质。 通过这项技术，研究人员利用红外辐射通过观察反应条件下吸收或反射辐射的方式来更好地了解材料的化学性质。 在这个实验中，科学家们能够区分过氧化物的“种类”，它们所携带的氧气有非常微小的变化，否则在金属氧化物表面上很难识别。 “当我查找表面上这些过氧化物种类的红外光谱并发现出版物并不多时，我感到非常兴奋。 令人兴奋的是，我们可以使用一种尚未广泛应用于此类物种的技术来观察这些差异，”海德回忆道。 然而，红外光谱本身还不足以确定，这就是为什么该团队还使用了另一种光谱技术，称为环境压力 X 射线光电子能谱 (XPS)。 XPS 使用较低能量的 X 射线将电子从样品中踢出。 这些电子的能量为科学家提供了有关样品中原子化学性质的线索。 通过 CFN 用户计划提供这两种技术是使这项研究成为可能的关键。 “我们引以为傲的事情之一就是我们在这里拥有和改装的仪器，”博斯科博尼克说。 “我们的仪器是相互连接的，因此用户可以在受控环境中在这两种技术之间移动样品，并就地研究它们以获得补充信息。 在大多数其他情况下，用户必须将样品取出到不同的仪器上，而环境的变化可能会改变其表面。” “CFN 的一个优点不仅在于其最先进的科学设施，还在于它提供了培训年轻研究人员的机会，”托马斯·J·沃森工程与应用科学学院的周广文教授说。宾厄姆顿大学机械工程系和材料科学项目。 “每个参与其中的学生都从 CFN 提供的显微镜和光谱工具方面的丰富实践经验中受益。” 这项工作是在周教授课题组四名博士生的贡献下完成的：本文的第一共同作者朱亚光和王建宇，以及 Shyam Patel 和李超然。 所有这些学生都处于职业生涯的早期，刚刚在 2022 年获得博士学位。

未来的发现

这项研究的结果可能适用于除铜之外的其他类型的反应和其他催化剂。 这些发现以及引导科学家到达那里的过程和技术可以找到进入相关研究的方法。 金属氧化物广泛用作催化剂本身或催化剂中的组分。 调节其他氧化物上的过氧化物形成可能是阻止或增强其他催化过程中表面反应的一种方法。 “我参与了一些与铜和铜氧化物相关的其他项目，包括将二氧化碳转化为甲醇，用作清洁能源的燃料，”海德说。 “在我使用的同一表面上观察这些过氧化物，有可能对使用铜和其他金属氧化物的其他项目产生影响。”

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62765.php