KANAZAVA, Japāna, 2023. gada 8. jūnijs /PRNewswire/ — Kanazavas Universitātes pētnieki ziņo, kā īpaši plānu alvas disulfīda slāni var izmantot, lai paātrinātu oglekļa dioksīda ķīmisko reducēšanu oglekļa neitrālas sabiedrības labā.
Rūpniecisko procesu radītā oglekļa dioksīda (CO2) pārstrāde ir nepieciešamība cilvēces steidzamajos centienos panākt ilgtspējīgu, oglekļa neitrālu sabiedrību. Šī iemesla dēļ pašlaik plaši tiek pētīti elektrokatalizatori, kas var efektīvi pārveidot CO2 citos mazāk kaitīgos ķīmiskos produktos. Materiālu klase, kas pazīstama kā divdimensiju (2D) metālu dihalkogenīdi, ir kandidāti kā elektrokatalizatori CO pārveidošanai, taču šie materiāli bieži vien veicina arī konkurējošas reakcijas, samazinot to efektivitāti. Jasufumi Takahaši un viņa kolēģi Kanazavas Universitātes Nanobioloģijas zinātnes institūtā (WPI-NanoLSI) ir identificējuši divdimensiju metālu dihalkogenīdu, kas var efektīvi reducēt CO2 līdz skudrskābei, kas nav tikai dabiskas izcelsmes. Turklāt šis savienojums ir ķīmiskās sintēzes starpposma produkts.
Takahaši un viņa kolēģi salīdzināja divdimensiju disulfīda (MoS2) un alvas disulfīda (SnS2) katalītisko aktivitāti. Abi ir divdimensiju metālu dihalkogenīdi, pēdējais ir īpaši interesants, jo tīra alva ir zināms kā katalizators skudrskābes ražošanā. Šo savienojumu elektroķīmiskā testēšana parādīja, ka ūdeņraža izdalīšanās reakcija (HER) tiek paātrināta, izmantojot MoS2, nevis CO2 konversiju. HER attiecas uz reakciju, kas rada ūdeņradi, kas ir noderīgi, ja paredzēts ražot ūdeņraža degvielu, bet CO2 reducēšanas gadījumā tas ir nevēlams konkurējošs process. No otras puses, SnS2 uzrādīja labu CO2 reducēšanas aktivitāti un inhibēja HER. Pētnieki veica arī SnS2 pulvera elektroķīmiskos mērījumus un atklāja, ka tas bija mazāk aktīvs CO2 katalītiskajā reducēšanā.
Lai saprastu, kur SnS2 atrodas katalītiski aktīvie centri un kāpēc 2D materiāls darbojas labāk nekā masas savienojums, zinātnieki izmantoja metodi, ko sauc par skenējošās šūnas elektroķīmisko mikroskopiju (SECCM). SECCM tiek izmantota kā nanopipete, veidojot nanoskalas meniska formas elektroķīmisko šūnu zondēm, kas ir jutīgas pret virsmas reakcijām uz paraugiem. Mērījumi parādīja, ka visa SnS2 loksnes virsma bija katalītiski aktīva, ne tikai struktūras "platformas" vai "malas" elementi. Tas arī izskaidro, kāpēc 2D SnS2 ir augstāka aktivitāte salīdzinājumā ar masas SnS2.
Aprēķini sniedz dziļāku ieskatu notiekošajās ķīmiskajās reakcijās. Jo īpaši skudrskābes veidošanās ir identificēta kā enerģētiski labvēlīgs reakcijas ceļš, ja kā katalizatoru izmanto 2D SnS2.
Takahaši un kolēģu atklājumi iezīmē svarīgu soli divdimensiju elektrokatalizatoru izmantošanā elektroķīmiskās CO2 samazināšanas pielietojumos. Zinātnieki citē: “Šie rezultāti sniegs labāku izpratni par divdimensiju metālu dihalkohenīdu elektrokatalīzes stratēģiju un tās izstrādi oglekļa dioksīda elektroķīmiskai reducēšanai, lai iegūtu ogļūdeņražus, spirtus, taukskābes un alkēnus bez blakusparādībām.”
Divdimensiju (2D) metālu dihalkogenīdu loksnes (vai monoslāņi) ir MX2 tipa materiāli, kur M ir metāla atoms, piemēram, molibdēns (Mo) vai alva (Sn), un X ir halkogēna atoms, piemēram, sērs (C). Struktūru var izteikt kā X atomu slāni virs M atomu slāņa, kas savukārt atrodas uz X atomu slāņa. Divdimensiju metālu dihalkogenīdi pieder pie tā saukto divdimensiju materiālu klases (kurā ietilpst arī grafēns), kas nozīmē, ka tie kļūst plāni. 2D materiāliem bieži vien ir atšķirīgas fizikālās īpašības nekā to tilpuma (3D) ekvivalentiem.
Divdimensiju metālu dihalkogenīdi ir pētīti attiecībā uz to elektrokatalītisko aktivitāti ūdeņraža izdalīšanās reakcijā (HER), kas ir ķīmiskā process, kurā rodas ūdeņradis. Taču tagad Jasufumi Takahaši un viņa kolēģi Kanazavas Universitātē ir atklājuši, ka divdimensiju metālu dihalkogenīdam SnS2 nepiemīt HER katalītiska aktivitāte; šī īpašība ir ārkārtīgi svarīga šīs takas stratēģiskajā kontekstā.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta un Yasufumi Takahashi. Plāksne 1T/1H-SnS2 CO2 elektroķīmiskai pārnešanai, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Nosaukums: Skenēšanas eksperimenti ar šūnu elektroķīmisko mikroskopiju, lai pētītu SnS2 lokšņu katalītisko aktivitāti CO2 emisiju samazināšanai.
Kanazavas Universitātes Nanobioloģijas institūts (NanoLSI) tika izveidots 2017. gadā kā daļa no pasaulē vadošā starptautiskā pētniecības centra MEXT programmas. Programmas mērķis ir izveidot pasaules līmeņa pētniecības centru. Apvienojot svarīgākās zināšanas bioloģiskās skenēšanas zondes mikroskopijā, NanoLSI izveido "nanoendoskopijas tehnoloģiju" tiešai biomolekulu attēlveidošanai, analīzei un manipulācijai, lai iegūtu ieskatu mehānismos, kas kontrolē tādas dzīvības parādības kā slimības.
Kā vadošā vispārējās izglītības universitāte Japānas jūras piekrastē, Kanazavas Universitāte kopš tās dibināšanas 1949. gadā ir devusi lielu ieguldījumu Japānas augstākajā izglītībā un akadēmiskajā pētniecībā. Universitātei ir trīs koledžas un 17 fakultātes, kas piedāvā tādas disciplīnas kā medicīna, datorzinātnes un humanitārās zinātnes.
Universitāte atrodas Kanadzavā, pilsētā, kas slavena ar savu vēsturi un kultūru, Japānas jūras piekrastē. Kopš feodālā laikmeta (1598.–1867. g.) Kanadzavai ir bijusi autoritatīva intelektuālā prestiža. Kanadzavas Universitāte ir sadalīta divās galvenajās pilsētiņās — Kakumas un Takaramači —, un tajā studē aptuveni 10 200 studentu, no kuriem 600 ir starptautiskie studenti.
Skatīt oriģinālo saturu: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html