Chloé Leroy
Des chercheurs de l’Université de Binghamton ont mené des recherches en partenariat avec le Middle for Useful Nanomaterials (CFN) — une set up des utilisateurs du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) au Laboratoire nationwide de Brookhaven — pour mieux comprendre comment les peroxydes à la area du 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 (PNAS).
“Le cuivre est l’une des surfaces les as well as étudiées et les as well as pertinentes, à la fois en catalyse et en science de la corrosion”, a expliqué 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 alternatives pour une énergie propre. Le cuivre, par exemple, peut previous et convertir catalytiquement du méthanol en carburants précieux, donc être capable de contrôler la quantité d’oxygène et le nombre d’électrons sur le cuivre est une étape clé pour des réactions chimiques efficaces.
Le 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 structure, ce qui les rend très réactifs. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu modifier les étapes redox des réactions d’oxydation catalytique sur une area de cuivre oxydé (CuO) en identifiant la composition des espèces de peroxyde formées avec différents gaz : O2 (oxygène), H2 (hydrogène) et CO (carbone monoxyde).
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 element, 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-sites 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. Cependant, afin d’ajuster ces réactions, 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, auto les peroxydes sont très réactifs et ces changements se produisent rapidement. Sans les bons outils ou l’environnement, il est difficile d’attraper un moment aussi limité en surface.
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 strategy, 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 problems de réaction. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu différencier les “espèces” de peroxyde, avec de très légères variants dans l’oxygène qu’elles transportaient, ce qui aurait autrement été très difficile à identifier sur une surface d’oxyde métallique.
“J’étais vraiment excité quand je regardais les spectres infrarouges de ces espèces de peroxydes sur une surface 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 method qui n’est pas largement appliquée à ce style de espèce », se souvient Head.
La spectroscopie IR à elle seule n’était pas suffisante pour être sûr, c’est pourquoi l’équipe a également utilisé une autre procedure de spectroscopie appelée spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (XPS). 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 strategies dans le cadre du programme des utilisateurs du CFN a été essentielle pour rendre cette recherche attainable.
“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 strategies 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.”
“Une caractéristique intéressante du CFN réside non seulement dans ses installations scientifiques de pointe, mais également dans les opportunités qu’il offre pour former de jeunes chercheurs”, a déclaré Guangwen Zhou, professeur au Thomas J. Watson Higher education of Engineering and Utilized Science. Département de génie mécanique et programme de science des matériaux à l’Université de 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 report, et Shyam Patel et Chaoran Li. Tous ces étudiants sont au début de leur carrière, venant d’obtenir leur doctorat en 2022.
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 area que j’utilise a le potentiel d’avoir un effects sur d’autres projets utilisant du cuivre et d’autres oxydes métalliques.”
