ΚΑΝΑΖΑΟΥΑ, Ιαπωνία, 8 Ιουνίου 2023 /PRNewswire/ — Ερευνητές του Πανεπιστημίου Καναζάουα αναφέρουν πώς ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα διθειούχου κασσιτέρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιτάχυνση της χημικής μείωσης του διοξειδίου του άνθρακα, για μια κοινωνία με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα.
Η ανακύκλωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που εκπέμπεται από βιομηχανικές διεργασίες είναι απαραίτητη στην επείγουσα αναζήτηση της ανθρωπότητας για μια βιώσιμη, ουδέτερη ως προς τον άνθρακα κοινωνία. Για αυτόν τον λόγο, οι ηλεκτροκαταλύτες που μπορούν να μετατρέψουν αποτελεσματικά το CO2 σε άλλα λιγότερο επιβλαβή χημικά προϊόντα μελετώνται ευρέως επί του παρόντος. Μια κατηγορία υλικών γνωστών ως δισδιάστατα (2D) μεταλλικά διχαλκογονίδια είναι υποψήφια ως ηλεκτροκαταλύτες για τη μετατροπή του CO, αλλά αυτά τα υλικά συχνά προάγουν επίσης ανταγωνιστικές αντιδράσεις, μειώνοντας την αποτελεσματικότητά τους. Ο Yasufumi Takahashi και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Επιστήμης Νανοβιολογίας του Πανεπιστημίου Kanazawa (WPI-NanoLSI) έχουν εντοπίσει ένα δισδιάστατο μεταλλικό διχαλκογονίδιο που μπορεί να ανάγει αποτελεσματικά το CO2 σε μυρμηκικό οξύ, όχι μόνο φυσικής προέλευσης. Επιπλέον, αυτή η σύνδεση είναι ένας ενδιάμεσος κρίκος. Προϊόν χημικής σύνθεσης.
Ο Takahashi και οι συνεργάτες του συνέκριναν την καταλυτική δράση του δισδιάστατου δισουλφιδίου (MoS2) και του δισουλφιδίου του κασσιτέρου (SnS2). Και τα δύο είναι δισδιάστατα μεταλλικά διχαλκογονίδια, με το τελευταίο να παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή ο καθαρός κασσίτερος είναι γνωστό ότι είναι καταλύτης για την παραγωγή μυρμηκικού οξέος. Ηλεκτροχημικές δοκιμές αυτών των ενώσεων έδειξαν ότι η αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (HER) επιταχύνεται χρησιμοποιώντας MoS2 αντί για μετατροπή CO2. Το HER αναφέρεται σε μια αντίδραση που παράγει υδρογόνο, το οποίο είναι χρήσιμο όταν πρόκειται να παραχθεί καύσιμο υδρογόνου, αλλά στην περίπτωση της αναγωγής του CO2, είναι μια ανεπιθύμητη ανταγωνιστική διαδικασία. Από την άλλη πλευρά, το SnS2 έδειξε καλή αναγωγική δράση CO2 και ανέστειλε το HER. Οι ερευνητές έλαβαν επίσης ηλεκτροχημικές μετρήσεις σε σκόνη SnS2 και διαπίστωσαν ότι ήταν λιγότερο δραστική στην καταλυτική αναγωγή του CO2.
Για να κατανοήσουν πού βρίσκονται οι καταλυτικά ενεργές θέσεις στο SnS2 και γιατί ένα δισδιάστατο υλικό έχει καλύτερη απόδοση από μια χύδην ένωση, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται ηλεκτροχημική μικροσκοπία σάρωσης κελιών (SECCM). Το SECCM χρησιμοποιείται ως νανοπιπέτα, σχηματίζοντας ένα ηλεκτροχημικό κελί σε σχήμα μηνίσκου νανοκλίμακας για ανιχνευτές που είναι ευαίσθητοι στις επιφανειακές αντιδράσεις στα δείγματα. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι ολόκληρη η επιφάνεια του φύλλου SnS2 ήταν καταλυτικά ενεργή, όχι μόνο τα στοιχεία "πλατφόρμας" ή "άκρων" στη δομή. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί το δισδιάστατο SnS2 έχει υψηλότερη δραστικότητα σε σύγκριση με το χύδην SnS2.
Οι υπολογισμοί παρέχουν περαιτέρω πληροφορίες για τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα. Συγκεκριμένα, ο σχηματισμός μυρμηκικού οξέος έχει αναγνωριστεί ως μια ενεργειακά ευνοϊκή οδός αντίδρασης όταν χρησιμοποιείται 2D SnS2 ως καταλύτης.
Τα ευρήματα του Takahashi και των συναδέλφων του σηματοδοτούν ένα σημαντικό βήμα προς τη χρήση δισδιάστατων ηλεκτροκαταλυτών σε εφαρμογές ηλεκτροχημικής μείωσης του CO2. Οι επιστήμονες αναφέρουν: «Αυτά τα αποτελέσματα θα παρέχουν καλύτερη κατανόηση και ανάπτυξη μιας δισδιάστατης στρατηγικής ηλεκτροκατάλυσης με μεταλλικό διχαλκογενίδιο για την ηλεκτροχημική αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα για την παραγωγή υδρογονανθράκων, αλκοολών, λιπαρών οξέων και αλκενίων χωρίς παρενέργειες.»
Τα δισδιάστατα (2D) φύλλα (ή μονοστρώματα) μεταλλικών διχαλκογενιδίων είναι υλικά τύπου MX2 όπου το M είναι ένα άτομο μετάλλου, όπως το μολυβδαίνιο (Mo) ή ο κασσίτερος (Sn), και το X είναι ένα άτομο χαλκογόνου, όπως το θείο (C). Η δομή μπορεί να εκφραστεί ως ένα στρώμα ατόμων Χ πάνω από ένα στρώμα ατόμων Μ, το οποίο με τη σειρά του βρίσκεται σε ένα στρώμα ατόμων Χ. Τα δισδιάστατα μεταλλικά διχαλκογενίδια ανήκουν σε μια κατηγορία λεγόμενων δισδιάστατων υλικών (η οποία περιλαμβάνει επίσης το γραφένιο), πράγμα που σημαίνει ότι είναι λεπτά. Τα δισδιάστατα υλικά συχνά έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες από τα αντίστοιχα ογκώδη (3D) υλικά τους.
Τα δισδιάστατα μεταλλικά διχαλκογενίδια έχουν διερευνηθεί για την ηλεκτροκαταλυτική τους δράση στην αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (HER), μια χημική διαδικασία που παράγει υδρογόνο. Αλλά τώρα, ο Yasufumi Takahashi και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Kanazawa διαπίστωσαν ότι το δισδιάστατο μεταλλικό διχαλκογενίδιο SnS2 δεν εμφανίζει καταλυτική δράση HER. Αυτή είναι μια εξαιρετικά σημαντική ιδιότητα στο στρατηγικό πλαίσιο της διαδρομής.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta και Yasufumi Takahashi. Πλάκα 1T/1H-SnS2 για ηλεκτροχημική μεταφορά CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Τίτλος: Πειράματα σάρωσης ηλεκτροχημικής μικροσκοπίας κυττάρων για τη μελέτη της καταλυτικής δράσης φύλλων SnS2 με στόχο τη μείωση των εκπομπών CO2.
Το Νανοβιολογικό Ινστιτούτο του Πανεπιστημίου Καναζάβα (NanoLSI) ιδρύθηκε το 2017 στο πλαίσιο του προγράμματος του κορυφαίου διεθνούς ερευνητικού κέντρου MEXT στον κόσμο. Στόχος του προγράμματος είναι η δημιουργία ενός ερευνητικού κέντρου παγκόσμιας κλάσης. Συνδυάζοντας τις πιο σημαντικές γνώσεις στη βιολογική μικροσκοπία σάρωσης με ανιχνευτή, το NanoLSI καθιερώνει «τεχνολογία νανοενδοσκόπησης» για άμεση απεικόνιση, ανάλυση και χειρισμό βιομορίων, με σκοπό την κατανόηση των μηχανισμών που ελέγχουν τα φαινόμενα της ζωής, όπως οι ασθένειες.
Ως κορυφαίο πανεπιστήμιο γενικής εκπαίδευσης στις ακτές της Θάλασσας της Ιαπωνίας, το Πανεπιστήμιο Kanazawa έχει συμβάλει σημαντικά στην τριτοβάθμια εκπαίδευση και την ακαδημαϊκή έρευνα στην Ιαπωνία από την ίδρυσή του το 1949. Το πανεπιστήμιο διαθέτει τρία κολέγια και 17 σχολές που προσφέρουν μαθήματα όπως η ιατρική, η πληροφορική και οι ανθρωπιστικές επιστήμες.
Το πανεπιστήμιο βρίσκεται στην Καναζάβα, μια πόλη διάσημη για την ιστορία και τον πολιτισμό της, στις ακτές της Θάλασσας της Ιαπωνίας. Από την εποχή της φεουδαρχίας (1598-1867), η Καναζάβα απολαμβάνει ένα έγκυρο πνευματικό κύρος. Το Πανεπιστήμιο της Καναζάβα χωρίζεται σε δύο κύριες πανεπιστημιουπόλεις, την Κακούμα και την Τακαραμάτσι, και έχει περίπου 10.200 φοιτητές, εκ των οποίων οι 600 είναι διεθνείς φοιτητές.
Δείτε το πρωτότυπο περιεχόμενο: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html