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


Des chercheurs de l’Université de Binghamton ont mené des recherches en partenariat avec le Center for Functional Nanomaterials (CFN) — une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) au Laboratoire national de Brookhaven — pour mieux comprendre comment les peroxydes à la surface 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 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 expliqué Anibal Boscoboinik, 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 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 solutions pour une énergie propre. Le cuivre, par exemple, peut former 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 surface 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 H2 oxydation. Ils ont également découvert que, d’autre part, 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 sites de surface où se déroule la réaction.

En trouvant ces sites de liaison et en apprenant comment 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

Étudier cette réaction sur site 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 d’attraper un moment aussi limité en surface.

Les espèces de peroxyde sur les surfaces de cuivre n’ont jamais été observées en utilisant sur place la spectroscopie infrarouge (IR) 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 conditions 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 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 technique qui n’est pas largement appliquée à ce genre 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 technique 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 techniques dans le cadre du programme des utilisateurs du CFN a été essentielle pour rendre cette recherche possible.

« 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 instruments sont connectés, de sorte que les utilisateurs peuvent déplacer l’échantillon dans un environnement contrôlé entre ces deux techniques 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 College of Engineering and Applied 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 article, et Shyam Patel et Chaoran Li. Tous ces étudiants sont au début de leur carrière, venant d’obtenir leur doctorat en 2022.

Résultats futurs

Les résultats de cette étude peuvent s’appliquer à d’autres types de réactions et à d’autres catalyseurs que le cuivre. Ces découvertes et les processus et techniques qui y ont conduit les scientifiques pourraient trouver leur place dans des recherches connexes. Les oxydes métalliques sont largement utilisés comme catalyseurs eux-mêmes ou comme composants de catalyseurs. Le réglage de la formation de peroxyde sur d’autres oxydes pourrait être un moyen de bloquer 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, 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. »

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