科学家使用过氧化物来观察金属氧化物反应

宾厄姆顿大学的研究人员领导了与功能纳米材料中心(CFN)(美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室)合作的研究，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，使它们能够控制氧化反应。他们能够使用两种尚未以这种方式使用的免费光谱方法观察这些快速变化。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最相关的表面之一，”CFN材料科学家AnibalBoscoboinik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AshleyHead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可以让研究人员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含量和电子数量是实现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种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(氧气)、H2(氢气)和CO(一氧化碳)。

氧化还原是还原和氧化的结合。在此过程中，氧化剂获得电子，还原剂失去电子。在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表面层显着增强了CuO的还原性，有利于H2氧化。他们还发现，另一方面，它可以作为抑制剂抑制CuO对CO(一氧化碳)氧化的还原。他们发现过氧化物对两种氧化反应的这种相反作用源于发生反应的表面位点的改变。

通过找到这些键合位点并了解它们如何促进或抑制氧化，科学家们可以使用这些气体来更好地控制这些反应的进行方式。不过，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。

氧化铜(CuO)上过氧化物(OO)形成的结合能和位置。图片来源：美国国家科学院院刊(PNAS)

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，很难捕捉到表面上如此有限的瞬间。

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。借助这项技术，研究人员通过观察辐射在反应条件下被吸收或反射的方式，使用红外辐射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”，它们所携带的氧气有非常轻微的变化，否则很难在金属氧化物表面上识别出来。

“当我在表面上查看这些过氧化物物种的红外光谱并发现没有太多出版物时，我感到非常兴奋。令人兴奋的是，我们可以使用一种尚未广泛应用于此类的技术来看到这些差异种，”海德回忆道。

红外光谱本身并不足以确定，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用户计划获得这两种技术是使这项研究成为可能的关键。

“我们引以为豪的事情之一是我们在这里拥有和修改的仪器，”Boscoboinik说。“我们的仪器是相连的，因此用户可以在这两种技术之间的受控环境中移动样本，并在原位研究它们以获得补充信息。在大多数其他情况下，用户必须将样本取出才能转到不同的仪器，而环境的变化可能会改变它的表面。”

“CFN的一个很好的特点不仅在于其最先进的科学设施，还在于它提供了培训年轻研究人员的机会，”ThomasJ.Watson工程与应用科学学院教授GuangwenZhou说。宾厄姆顿大学机械工程系和材料科学专业。“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。”

这项工作是在四位博士的贡献下完成的。Zhou课题组的学生：朱亚光和王建宇，本文的第一作者，ShyamPatel和ChaoranLi。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。

未来的发现

这项研究的结果可能适用于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那里的过程和技术可以找到进入相关研究的途径。金属氧化物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止或增强表面反应的一种方式。

“我参与了其他一些与铜和铜氧化物相关的项目，包括将二氧化碳转化为甲醇以用作清洁能源的燃料，”海德说。“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。”