Les scientifiques utilisent le peroxyde pour observer les réactions des oxydes métalliques

Newswise – Upton, NY – Chercheurs à Université de Binghamton Recherche menée en partenariat avec Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) – l’installation des utilisateurs scientifiques du département américain de l’énergie (DOE) au laboratoire national de Brookhaven – pour mieux comprendre comment les peroxydes sur une surface d’oxyde de cuivre favorisent l’oxydation de l’hydrogène mais inhibent l’oxydation du monoxyde de carbone, leur permettant de diriger les réactions d’oxydation. Ils ont pu observer ces changements rapides avec deux méthodes spectrales complémentaires qui n’étaient pas utilisées de cette manière. Les résultats de ce travail ont été publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

« Le cuivre est l’une des surfaces les plus étudiées et les plus pertinentes, à la fois en catalyse et en science de la corrosion », a-t-il expliqué. Annibal Boscoboïnik, scientifique des matériaux au CFN. « De nombreuses pièces mécaniques utilisées dans l’industrie sont en cuivre, il est donc très important d’essayer de comprendre cet élément des processus d’usure. »

« J’ai toujours aimé regarder les systèmes en cuivre », a-t-il déclaré. Tête d’Ashley Également scientifique des matériaux au CFN. « Ils ont des caractéristiques et des réactions tellement intéressantes, et certains d’entre eux sont vraiment incroyables. »

Mieux comprendre l’oxyde stimuli Il donne aux chercheurs plus de contrôle sur les réactions chimiques qu’ils produisent, y compris les solutions énergétiques propres. Le cuivre, par exemple, peut former du méthanol et le convertir catalytiquement en un carburant précieux, donc être capable de contrôler la quantité d’oxygène et le nombre d’électrons sur le cuivre est une étape essentielle pour des réactions chimiques efficaces.

peroxyde comme agent

Les peroxydes sont des composés chimiques qui contiennent deux atomes d’oxygène liés par des électrons partagés. La liaison dans les peroxydes est plutôt faible, ce qui permet à d’autres produits chimiques de modifier leur structure, les rendant très réactifs. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu modifier les étapes redox des réactions redox catalytiques sur une surface de cuivre oxydé (CuO) en déterminant la composition des espèces de peroxyde formées à partir de différents gaz :₂ (oxygène), h₂ (hydrogène) et monoxyde de carbone (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 différents types de peroxyde et le déroulement de ces étapes, les chercheurs ont découvert que la couche de surface de peroxyde améliorait considérablement la réduction de CuO en faveur de H₂ oxydation. Ils ont également découvert que, d’autre part, il agissait comme un inhibiteur de la CuO réductase contre l’oxydation du CO (monoxyde de carbone). Ils ont découvert que cet effet inverse du peroxyde sur les réactions d’oxydo-réduction provient d’une modification des sites de surface où se produit la réaction.

En trouvant ces sites de liaison et en déterminant comment ils favorisent ou inhibent l’oxydation, les scientifiques peuvent utiliser ces gaz pour mieux contrôler la façon dont ces réactions se produisent. Afin de s’adapter à ces réactions, les scientifiques devaient avoir une vision claire de ce qui se passait.

Les bons outils pour le travail

Étudiez cette réaction Sur site C’était important pour l’équipe, car les peroxydes sont très réactifs et ces changements se produisent rapidement. Sans les bons outils ou l’environnement, il est difficile de capturer un moment aussi limité en surface.

L’utilisation d’espèces de peroxyde n’a pas été observée sur les surfaces de cuivre Sur site La spectroscopie infrarouge (IR) enfin. 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 conditions de réaction. Dans cette expérience, les scientifiques ont pu distinguer les « types » de peroxyde, avec seulement de très légères différences dans l’oxygène qu’ils transportaient, ce qui aurait été très difficile à déterminer sur une surface d’oxyde métallique.

« J’ai été vraiment excité quand je regardais les spectres infrarouges de ces types de peroxyde sur une surface et j’ai vu qu’il n’y avait pas beaucoup de publications. C’était excitant de voir ces différences en utilisant une technique peu appliquée à ce type de surface », se souvient Head.

La spectroscopie infrarouge à elle seule n’a pas suffi à le confirmer, c’est pourquoi l’équipe a également utilisé une autre technique de spectroscopie appelée Spectroscopie de rayons X à pression ambiante (XPS). XPS utilise des rayons X à faible énergie pour éjecter des électrons d’un échantillon. L’énergie de ces électrons donne aux scientifiques des indices sur les propriétés chimiques des atomes de l’échantillon. La disponibilité des deux méthodes dans le cadre du programme d’utilisateurs du CFN a été essentielle pour rendre cette recherche possible.

« L’une des choses dont nous sommes le plus fiers, ce sont les outils que nous avons et que nous modifions ici », a déclaré Boscoboinik. « Nos instruments sont connectés, de sorte que les utilisateurs peuvent déplacer l’échantillon dans un environnement contrôlé entre ces deux technologies et les étudier sur place pour obtenir des informations complémentaires. Dans la plupart des autres circonstances, l’utilisateur devrait éjecter l’échantillon pour passer à un autre instrument, et changer l’environnement pourrait altérer sa surface.

« Le grand avantage du CFN réside non seulement dans ses installations scientifiques de pointe, mais également dans les opportunités qu’il offre pour la formation de jeunes chercheurs », a-t-il déclaré. Guangwen Cho Professeur à la Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Sciences, Department of Mechanical Engineering and Materials Science Program at Binghamton University. « Chacun des étudiants participants a bénéficié d’une vaste expérience pratique avec les 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, premiers co-auteurs de cet article, et Shyam Patel et Chaoran Li. Tous ces étudiants sont au début de leur carrière, venant de recevoir leur doctorat en 2022.

résultats futurs

Les résultats de cette étude peuvent s’appliquer à d’autres types d’interactions et plus stimuli à côté du cuivre. Ces découvertes et les processus et techniques qui ont conduit les scientifiques là-bas pourraient se retrouver dans des recherches pertinentes. Les oxydes métalliques sont largement utilisés stimuli eux-mêmes ou des composants stimuli. Ajuster la formation de peroxyde à d’autres oxydes pourrait être un moyen d’empêcher ou d’améliorer les réactions de surface au cours d’autres processus catalytiques.

« Je suis impliqué dans d’autres projets liés au cuivre et aux oxydes de cuivre, y compris la conversion du dioxyde de carbone en méthanol pour une utilisation comme carburant énergétique propre », a déclaré Head. « Regarder ces peroxydes sur la même surface que moi a le potentiel d’avoir un impact sur d’autres projets utilisant du cuivre et d’autres oxydes métalliques. »

Le Laboratoire national de Brookhaven est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez science.energy.gov.

Suivez BrookhavenLab sur Twitter Twitter ou retrouvez-nous sur Facebook.