Wissenschaftler verwenden Peroxid, um Metalloxidreaktionen zu untersuchen

Forscher der Binghamton University leiteten eine Forschungspartnerschaft mit dem Center for Functional Nanomaterials (CFN) – einer Office of Science User Facility des US-Energieministeriums (DOE) im Brookhaven National Laboratory – um einen besseren Einblick zu bekommen, wie Peroxide auf der Oberfläche von Kupferoxid wirken die Oxidation von Wasserstoff, hemmen aber die Oxidation von Kohlenmonoxid, wodurch sie Oxidationsreaktionen steuern können. Sie konnten diese schnellen Veränderungen mit zwei komplementären Spektroskopiemethoden beobachten, die auf diese Weise noch nicht verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden veröffentlicht im Tagebuch Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

„Kupfer ist eine der am besten untersuchten und relevantesten Oberflächen, sowohl in der Katalyse als auch in der Korrosionswissenschaft“, erklärte Anibal Boscoboinik, Materialwissenschaftler am CFN. „So viele mechanische Teile, die in der Industrie verwendet werden, bestehen aus Kupfer, daher ist es sehr wichtig, dieses Element der Korrosionsprozesse zu verstehen.“

„Ich habe mir schon immer gerne Kupfersysteme angesehen“, sagte Ashley Head, ebenfalls Materialwissenschaftlerin bei CFN. „Sie haben so interessante Eigenschaften und Reaktionen, von denen einige wirklich auffällig sind.“

Ein besseres Verständnis von Oxidkatalysatoren gibt Forschern mehr Kontrolle über die chemischen Reaktionen, die sie produzieren, einschließlich Lösungen für saubere Energie. Kupfer zum Beispiel kann katalytisch Methanol bilden und in wertvolle Brennstoffe umwandeln, daher ist die Kontrolle der Sauerstoffmenge und der Anzahl der Elektronen auf Kupfer ein Schlüsselschritt für effiziente chemische Reaktionen.

Peroxid als Proxy

Peroxide sind chemische Verbindungen, die zwei Sauerstoffatome enthalten, die durch gemeinsame Elektronen verbunden sind. Die Bindung in Peroxiden ist ziemlich schwach, was es anderen Chemikalien ermöglicht, ihre Struktur zu verändern, was sie sehr reaktiv macht. In diesem Experiment konnten Wissenschaftler die Redoxschritte katalytischer Oxidationsreaktionen auf einer oxidierten Kupferoberfläche (CuO) verändern, indem sie die Zusammensetzung von Peroxidspezies identifizierten, die mit verschiedenen Gasen gebildet wurden: O2 (Sauerstoff), H2 (Wasserstoff) und CO (Kohlenstoff). Kohlenmonoxid).

Redox ist eine Kombination aus Reduktion und Oxidation. Dabei nimmt das Oxidationsmittel ein Elektron auf und das Reduktionsmittel gibt ein Elektron ab. Beim Vergleich dieser verschiedenen Peroxidarten und wie sich diese Schritte abspielten, stellten die Forscher fest, dass eine Oberflächenschicht aus Peroxid die Reduzierbarkeit von CuO zugunsten der H2-Oxidation signifikant verbesserte. Sie fanden auch heraus, dass es andererseits als Inhibitor wirkte, um die CuO-Reduktion gegen die CO-Oxidation (Kohlenmonoxid) zu unterdrücken. Sie fanden heraus, dass diese entgegengesetzte Wirkung des Peroxids auf die beiden Oxidationsreaktionen auf die Modifikation der Oberflächenstellen zurückzuführen ist, an denen die Reaktion stattfindet.

Indem sie diese Bindungsstellen finden und lernen, wie sie die Oxidation fördern oder hemmen, können Wissenschaftler diese Gase verwenden, um mehr Kontrolle darüber zu erlangen, wie diese Reaktionen ablaufen. Um diese Reaktionen abzustimmen, mussten die Wissenschaftler jedoch einen klaren Blick auf das Geschehen werfen.

Die richtigen Werkzeuge für den Job

Untersuchung dieser Reaktion vor Ort war dem Team wichtig, da Peroxide sehr reaktiv sind und diese Veränderungen schnell erfolgen. Ohne die richtigen Tools oder die richtige Umgebung ist es schwierig, einen so begrenzten Moment an der Oberfläche festzuhalten.

Peroxidspezies auf Kupferoberflächen wurden nie beobachtet vor Ort Infrarot (IR)-Spektroskopie in der Vergangenheit. Bei dieser Technik verwenden Forscher Infrarotstrahlung, um die chemischen Eigenschaften eines Materials besser zu verstehen, indem sie untersuchen, wie die Strahlung unter Reaktionsbedingungen absorbiert oder reflektiert wird. In diesem Experiment waren die Wissenschaftler in der Lage, „Spezies“ von Peroxiden zu unterscheiden, mit sehr geringfügigen Variationen des Sauerstoffs, den sie trugen, was ansonsten auf einer Metalloxidoberfläche sehr schwer zu identifizieren gewesen wäre.

„Ich war sehr aufgeregt, als ich die Infrarotspektren dieser Peroxidarten auf einer Oberfläche nachsah und sah, dass es nicht viele Veröffentlichungen gab. Es war aufregend, dass wir diese Unterschiede mit einer Technik sehen konnten, die für diese Art von Peroxiden nicht weit verbreitet ist Arten“, erinnert sich Head.

IR-Spektroskopie allein reichte jedoch nicht aus, um sicher zu sein, weshalb das Team auch eine andere Spektroskopietechnik namens Umgebungsdruck-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) verwendete. XPS verwendet Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie, um Elektronen aus der Probe zu schlagen. Die Energie dieser Elektronen gibt Wissenschaftlern Hinweise auf die chemischen Eigenschaften von Atomen in der Probe. Die Verfügbarkeit beider Techniken durch das CFN-Benutzerprogramm war der Schlüssel, um diese Forschung zu ermöglichen.

„Eines der Dinge, auf die wir stolz sind, sind die Instrumente, die wir hier haben und modifiziert haben“, sagte Boscoboinik. „Unsere Instrumente sind miteinander verbunden, sodass Benutzer die Probe in einer kontrollierten Umgebung zwischen diesen beiden Techniken bewegen und sie vor Ort untersuchen können, um ergänzende Informationen zu erhalten. In den meisten anderen Fällen müsste ein Benutzer die Probe herausnehmen, um zu einem anderen Instrument zu wechseln , und diese Veränderung der Umgebung könnte seine Oberfläche verändern.“

„Ein nettes Merkmal des CFN liegt nicht nur in seinen hochmodernen Einrichtungen für die Wissenschaft, sondern auch in den Möglichkeiten, die es bietet, um junge Forscher auszubilden“, sagte Guangwen Zhou, Professor am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science Department of Mechanical Engineering und dem Programm Materials Science an der Binghamton University. „Jeder der beteiligten Studenten hat von umfangreicher praktischer Erfahrung mit den am CFN verfügbaren Mikroskopie- und Spektroskopie-Tools profitiert.“

Diese Arbeit wurde mit den Beiträgen von vier Ph.D. Studenten in Zhous Gruppe: Yaguang Zhu und Jianyu Wang, die ersten Co-Autoren dieser Arbeit, sowie Shyam Patel und Chaoran Li. Alle diese Studenten stehen am Anfang ihrer Karriere, nachdem sie gerade 2022 ihren Doktortitel erworben haben.

Zukünftige Erkenntnisse

Die Ergebnisse dieser Studie können neben Kupfer auch auf andere Arten von Reaktionen und andere Katalysatoren angewendet werden. Diese Erkenntnisse und die Prozesse und Techniken, die die Wissenschaftler dorthin führten, könnten Eingang in die verwandte Forschung finden. Metalloxide werden weithin als Katalysatoren selbst oder als Komponenten in Katalysatoren verwendet. Die Abstimmung der Peroxidbildung auf anderen Oxiden könnte eine Möglichkeit sein, Oberflächenreaktionen während anderer katalytischer Prozesse zu blockieren oder zu verstärken.

„Ich bin an einigen anderen Projekten im Zusammenhang mit Kupfer und Kupferoxiden beteiligt, einschließlich der Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol, um es als Brennstoff für saubere Energie zu verwenden“, sagte Head. „Wenn ich mir diese Peroxide auf derselben Oberfläche ansehe, die ich verwende, hat das das Potenzial, Auswirkungen auf andere Projekte zu haben, bei denen Kupfer und andere Metalloxide verwendet werden.“