Des chercheurs de l’Université de Binghamton se sont associés au Centre pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN) – une installation d’utilisateurs du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie au Laboratoire countrywide de Brookhaven – pour mieux comprendre comment les peroxydes à la floor de l’oxyde de cuivre favorisent l’oxydation de l’hydrogène mais inhibent l’oxydation du monoxyde de carbone, leur permettant de piloter les réactions d’oxydation.
Ils ont pu observer ces changements rapides avec deux méthodes de spectroscopie complémentaires qui n’ont pas été utilisées de cette manière. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
“Une caractéristique intéressante du CFN réside non seulement dans ses installations scientifiques de pointe, mais également dans les opportunités qu’il offre pour previous de jeunes chercheurs”, a déclaré Guangwen Zhou, professeur au Thomas J. Watson University of Engineering and Département de génie mécanique des sciences appliquées et programme de science et génie des matériaux à Binghamton. “Chacun des étudiants impliqués a bénéficié d’une vaste expérience pratique des outils de microscopie et de spectroscopie disponibles au CFN.”
Ce travail a été accompli grâce aux contributions de quatre doctorants du groupe de Zhou : Yaguang Zhu et Jianyu Wang, les premiers co-auteurs de cet short article, et Shyam Patel et Chaoran Li. Tous ces étudiants sont au début de leur carrière, venant d’obtenir leur doctorat en 2022.
“Le cuivre est l’une des surfaces les plus étudiées et les moreover pertinentes, à la fois en catalyse et en science de la corrosion”, a déclaré Anibal Boscoboinik, scientifique des matériaux au CFN. “De nombreuses pièces mécaniques utilisées dans l’industrie sont en cuivre, il est donc très crucial d’essayer de comprendre cet élément des processus de corrosion.”
“J’ai toujours aimé regarder les systèmes en cuivre”, a déclaré Ashley Head, également scientifique des matériaux au CFN. “Ils ont des propriétés et des réactions si intéressantes, dont certaines sont vraiment frappantes.”
Une meilleure compréhension des catalyseurs d’oxyde donne aux chercheurs un meilleur contrôle des réactions chimiques qu’ils produisent, y compris des answers pour une énergie propre. Le cuivre, par exemple, peut former et convertir catalytiquement du méthanol en carburants précieux, donc être able de contrôler la quantité d’oxygène et le nombre d’électrons sur le cuivre est une étape clé pour des réactions chimiques efficaces.
Peroxyde comme proxy
Les peroxydes sont des composés chimiques qui contiennent deux atomes d’oxygène liés par des électrons partagés. La liaison dans les peroxydes est assez faible, ce qui permet à d’autres produits chimiques de modifier sa construction, ce qui les rend très réactifs. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu modifier les étapes redox des réactions d’oxydation catalytique sur une floor de cuivre oxydé (CuO) en identifiant la composition des espèces de peroxyde formées avec différents gaz : O2 (oxygène), H2 (hydrogène) et CO (monoxyde de carbone ).
Redox est une combinaison de réduction et d’oxydation. Dans ce processus, l’agent oxydant gagne un électron et l’agent réducteur perd un électron. En comparant ces différentes espèces de peroxyde et le déroulement de ces étapes, les chercheurs ont découvert qu’une couche superficielle de peroxyde améliorait considérablement la réductibilité de CuO en faveur de l’oxydation de H2. Ils ont également découvert que, d’autre component, il agissait comme un inhibiteur pour supprimer la réduction de CuO contre l’oxydation du CO (monoxyde de carbone). Ils ont trouvé que cet effet opposé du peroxyde sur les deux réactions d’oxydation provient de la modification des websites de surface où se déroule la réaction.
En trouvant ces web pages de liaison et en apprenant remark ils favorisent ou inhibent l’oxydation, les scientifiques peuvent utiliser ces gaz pour mieux contrôler le déroulement de ces réactions. Pour ajuster ces réactions, cependant, les scientifiques devaient avoir une vision claire de ce qui se passait.
Les bons outils pour le travail
L’étude de cette réaction in situ était importante pour l’équipe, vehicle les peroxydes sont très réactifs et ces changements se produisent rapidement. Sans les bons outils ou l’environnement, il est difficile d’attraper un minute aussi limité en area.
Les espèces de peroxyde sur les surfaces de cuivre n’ont jamais été observées en utilisant la spectroscopie infrarouge (IR) in situ dans le passé. Avec cette technique, les chercheurs utilisent le rayonnement infrarouge pour mieux comprendre les propriétés chimiques d’un matériau en examinant la façon dont le rayonnement est absorbé ou réfléchi dans des situations de réaction. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu différencier les “espèces” de peroxyde, avec de très légères variations dans l’oxygène qu’elles transportaient, ce qui aurait autrement été très difficile à identifier sur une surface area d’oxyde métallique.
“J’étais vraiment excité quand je regardais les spectres infrarouges de ces espèces de peroxydes sur une area et que je voyais qu’il n’y avait pas beaucoup de publications. C’était excitant que nous puissions voir ces différences en utilisant une approach qui n’est pas largement appliquée à ce genre de espèce », a déclaré Head.
La spectroscopie IR à elle seule n’était pas suffisante pour être sûr, c’est pourquoi l’équipe a également utilisé une autre method de spectroscopie appelée spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (XPS). Le XPS utilise des rayons X à faible énergie pour expulser les électrons de l’échantillon. L’énergie de ces électrons donne aux scientifiques des indices sur les propriétés chimiques des atomes dans l’échantillon. La disponibilité des deux approaches dans le cadre du programme des utilisateurs du CFN a été essentielle pour rendre cette recherche achievable.
“L’une des choses dont nous sommes fiers, ce sont les instruments que nous avons et que nous avons modifiés ici”, a déclaré Boscoboinik. “Nos devices sont connectés, de sorte que les utilisateurs peuvent déplacer l’échantillon dans un environnement contrôlé entre ces deux methods et les étudier in situ pour obtenir des informations complémentaires. Dans la plupart des autres circonstances, un utilisateur devrait retirer l’échantillon pour passer à un autre instrument. et que le changement d’environnement pourrait altérer sa surface area.”
Résultats futurs
“Je suis impliqué dans d’autres projets liés au cuivre et aux oxydes de cuivre, notamment la transformation du dioxyde de carbone en méthanol pour l’utiliser comme carburant pour l’énergie propre”, a déclaré Head. “Regarder ces peroxydes sur la même surface que j’utilise a le potentiel d’avoir un impact sur d’autres projets utilisant du cuivre et d’autres oxydes métalliques.”