科学家使用过氧化物观察金属氧化物反应

宾汉姆顿大学的研究人员领导了与功能纳米材料中心(CFN)合作的研究 - 布鲁克海文国家实验室的美国能源部(DOE)科学用户设施办公室 - 以更好地了解氧化铜表面的过氧化物如何促进氢的氧化，但抑制一氧化碳的氧化，使它们能够引导氧化反应。他们能够用两种互补的光谱方法观察这些快速变化，而这两种方法尚未以这种方式使用。这项工作的结果已发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

“铜是催化和腐蚀科学中研究最多和相关表面之一，”CFN材料科学家Anibal Boscoboinik解释说。“工业中使用的许多机械零件都是由铜制成的，因此试图了解腐蚀过程中的这一元素非常重要。

“我一直喜欢研究铜系统，”CFN的材料科学家Ashley Head说。“它们具有如此有趣的特性和反应，其中一些非常引人注目。

更好地了解氧化物催化剂使研究人员能够更好地控制它们产生的化学反应，包括清洁能源的解决方案。例如，铜可以催化形成甲醇并将其转化为有价值的燃料，因此能够控制铜上的氧气量和电子数是高效化学反应的关键步骤。

过氧化物作为代理

过氧化物是含有两个由共享电子连接的氧原子的化合物。过氧化物中的键相当弱，允许其他化学物质改变其结构，这使得它们非常活泼。在这个实验中，科学家们能够通过识别由不同气体形成的过氧化物物质的组成来改变氧化铜表面(CuO)上催化氧化反应的氧化还原步骤：O2(氧)，H2(氢)和CO(一氧化碳)。

氧化还原是还原和氧化的组合。在这个过程中，氧化剂获得一个电子，还原剂失去一个电子。当比较这些不同的过氧化物种类以及这些步骤如何发挥作用时，研究人员发现过氧化物的表面层显着增强了CuO的可还原性，有利于H2氧化。他们还发现，另一方面，它作为一种抑制剂来抑制CuO还原对抗CO(一氧化碳)氧化。他们发现，过氧化物对两个氧化反应的这种相反作用源于反应发生的表面位点的修饰。

通过找到这些键合位点并了解它们如何促进或抑制氧化，科学家们可以利用这些气体来更好地控制这些反应如何发挥作用。然而，为了调整这些反应，科学家们必须清楚地了解正在发生的事情。

适合工作的工具

原位研究这种反应对团队很重要，因为过氧化物非常活泼，而且这些变化发生得很快。如果没有合适的工具或环境，就很难在表面上捕捉到如此有限的时刻。

过去从未使用原位红外(IR)光谱观察到铜表面上的过氧化物物质。通过这种技术，研究人员使用红外辐射通过观察辐射在反应条件下被吸收或反射的方式来更好地了解材料的化学性质。在这个实验中，科学家们能够区分过氧化物的“种类”，它们携带的氧气变化非常小，否则很难在金属氧化物表面上识别。

“当我在表面上查看这些过氧化物物种的红外光谱并看到没有很多出版物时，我真的很兴奋。令人兴奋的是，我们可以使用一种尚未广泛应用于这些物种的技术来看到这些差异，“Head回忆道。

红外光谱本身还不足以确定，这就是为什么该团队还使用了另一种称为环境压力X射线光电子能谱(XPS)的光谱技术。XPS使用较低能量的X射线将电子踢出样品。这些电子的能量为科学家提供了有关样品中原子化学性质的线索。通过CFN用户计划提供这两种技术是使这项研究成为可能的关键。

“我们引以为豪的一件事是我们在这里拥有和修改的仪器，”Boscoboinik说。“我们的仪器是连接的，因此用户可以在这两种技术之间的受控环境中移动样品，并原位研究它们以获得补充信息。在大多数其他情况下，用户必须将样品取出去换样，而环境的变化可能会改变其表面。

“CFN的一个很好的特点不仅在于其最先进的科学设施，还在于它为培训年轻研究人员提供了机会，”托马斯·J·沃森工程与应用科学学院机械工程系和宾汉姆顿大学材料科学项目的周光文教授说。“每个参与的学生都受益于CFN提供的显微镜和光谱工具的广泛实践经验。

这项工作是在周的小组中的四名博士生的贡献下完成的：本文的第一合著者Yaguang Zhu和Jianyu Wang，以及Shyam Patel和Chaoran Li。所有这些学生都处于职业生涯的早期，刚刚在 2022 年获得博士学位。

三. 今后的调查结果

本研究的结果可能适用于除铜以外的其他类型的反应和其他催化剂。这些发现以及引导科学家到达那里的过程和技术可以找到进入相关研究的方式。金属氧化物被广泛用作催化剂本身或催化剂中的组分。调整其他氧化物上的过氧化物形成可能是在其他催化过程中阻断或增强表面反应的一种方法。

“我参与了与铜和铜氧化物相关的其他一些项目，包括将二氧化碳转化为甲醇用作清洁能源的燃料，”Head说。“在我使用的同一表面上观察这些过氧化物有可能对使用铜和其他金属氧化物的其他项目产生影响。