KANAZAWA, Japonia, 8 czerwca 2023 r. /PRNewswire/ — Naukowcy z Uniwersytetu Kanazawa informują, w jaki sposób ultracienka warstwa disiarczku cyny może przyspieszyć chemiczną redukcję dwutlenku węgla, przyczyniając się do neutralności klimatycznej społeczeństwa.
Recykling dwutlenku węgla (CO2) emitowanego w procesach przemysłowych jest koniecznością w pilnym dążeniu ludzkości do zrównoważonego, neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla społeczeństwa. Z tego powodu elektrokatalizatory, które mogą skutecznie przekształcać CO2 w inne, mniej szkodliwe produkty chemiczne, są obecnie szeroko badane. Klasa materiałów znana jako dwuwymiarowe (2D) dichalkogenki metali jest kandydatami na elektrokatalizatory konwersji CO2, ale materiały te często promują również reakcje konkurencyjne, zmniejszając ich wydajność. Yasufumi Takahashi i jego współpracownicy z Instytutu Nauk Nanobiologii (WPI-NanoLSI) Uniwersytetu Kanazawa zidentyfikowali dwuwymiarowy dichalkogenek metalu, który może skutecznie redukować CO2 do kwasu mrówkowego, nie tylko pochodzenia naturalnego. Co więcej, to połączenie jest ogniwem pośrednim. Produkt syntezy chemicznej.
Takahashi i współpracownicy porównali aktywność katalityczną dwuwymiarowego disiarczku (MoS2) i disiarczku cyny (SnS2). Oba są dwuwymiarowymi dichalkogenkami metali, przy czym ten drugi jest szczególnie interesujący, ponieważ wiadomo, że czysta cyna jest katalizatorem w produkcji kwasu mrówkowego. Badania elektrochemiczne tych związków wykazały, że reakcja wydzielania wodoru (HER) jest przyspieszana za pomocą MoS2 zamiast konwersji CO2. HER odnosi się do reakcji, w której powstaje wodór, który jest przydatny w przypadku produkcji paliwa wodorowego, ale w przypadku redukcji CO2 jest niepożądanym procesem konkurencyjnym. Z drugiej strony, SnS2 wykazał dobrą aktywność redukującą CO2 i hamował HER. Naukowcy przeprowadzili również pomiary elektrochemiczne proszku SnS2 i stwierdzili, że był on mniej aktywny w katalitycznej redukcji CO2.
Aby zrozumieć, gdzie znajdują się katalitycznie aktywne miejsca w SnS2 i dlaczego materiał 2D działa lepiej niż związek w postaci masowej, naukowcy zastosowali technikę zwaną skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECCM). SECCM jest używana jako nanopipeta, tworząc nanoskalową komórkę elektrochemiczną w kształcie menisku, przeznaczoną do sond czułych na reakcje powierzchniowe w próbkach. Pomiary wykazały, że cała powierzchnia arkusza SnS2 była katalitycznie aktywna, a nie tylko elementy „platformowe” lub „krawędziowe” w strukturze. To również wyjaśnia, dlaczego 2D SnS2 ma wyższą aktywność w porównaniu z SnS2 w postaci masowej.
Obliczenia dostarczają dalszych informacji na temat zachodzących reakcji chemicznych. W szczególności stwierdzono, że tworzenie kwasu mrówkowego jest energetycznie korzystną drogą reakcji, gdy jako katalizator stosuje się dwuwymiarowy SnS2.
Odkrycia Takahashiego i współpracowników stanowią ważny krok w kierunku wykorzystania dwuwymiarowych elektrokatalizatorów w elektrochemicznych zastosowaniach redukcji CO2. Naukowcy piszą: „Wyniki te pozwolą na lepsze zrozumienie i opracowanie dwuwymiarowej strategii elektrokatalizy dichalkogenków metali do elektrochemicznej redukcji dwutlenku węgla w celu wytwarzania węglowodorów, alkoholi, kwasów tłuszczowych i alkenów bez skutków ubocznych”.
Dwuwymiarowe (2D) arkusze (lub monowarstwy) dichalkogenków metali to materiały typu MX2, gdzie M to atom metalu, takiego jak molibden (Mo) lub cyna (Sn), a X to atom chalkogenu, takiego jak siarka (C). Strukturę tę można przedstawić jako warstwę atomów X na warstwie atomów M, która z kolei znajduje się na warstwie atomów X. Dwuwymiarowe dichalkogenki metali należą do klasy tzw. materiałów dwuwymiarowych (do której należy również grafen), co oznacza, że ​​są cienkie. Materiały 2D często mają inne właściwości fizyczne niż ich masowe (3D) odpowiedniki.
Dwuwymiarowe dichalkogenidki metali badano pod kątem ich aktywności elektrokatalitycznej w reakcji wydzielania wodoru (HER), procesie chemicznym, w którym powstaje wodór. Jednak Yasufumi Takahashi i jego współpracownicy z Uniwersytetu Kanazawa odkryli, że dwuwymiarowy dichalkogenidek metalu SnS2 nie wykazuje aktywności katalitycznej HER; jest to niezwykle ważna właściwość w strategicznym kontekście tego eksperymentu.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta i Yasufumi Takahashi. Płyta 1T/1H-SnS2 do elektrochemicznego przenoszenia CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Tytuł: Eksperymenty skaningowe przy użyciu mikroskopii elektrochemicznej komórek w celu zbadania aktywności katalitycznej warstw SnS2 w celu ograniczenia emisji CO2.
Instytut Nanobiologiczny Uniwersytetu Kanazawa (NanoLSI) został założony w 2017 roku w ramach programu wiodącego na świecie międzynarodowego ośrodka badawczego MEXT. Celem programu jest stworzenie światowej klasy ośrodka badawczego. Łącząc najważniejszą wiedzę z zakresu biologicznej mikroskopii skaningowej, NanoLSI rozwija „technologię nanoendoskopii” do bezpośredniego obrazowania, analizy i manipulacji biocząsteczkami, aby uzyskać wgląd w mechanizmy kontrolujące zjawiska życiowe, takie jak choroby.
Jako wiodący uniwersytet ogólnokształcący na wybrzeżu Morza Japońskiego, Uniwersytet Kanazawa wniósł wielki wkład w szkolnictwo wyższe i badania naukowe w Japonii od momentu swojego założenia w 1949 roku. Uniwersytet posiada trzy wydziały i 17 szkół oferujących takie dyscypliny, jak medycyna, informatyka i nauki humanistyczne.
Uniwersytet znajduje się w Kanazawie, mieście słynącym z historii i kultury, położonym nad Morzem Japońskim. Od czasów feudalnych (1598–1867) Kanazawa cieszy się autorytetem intelektualnym. Uniwersytet Kanazawa składa się z dwóch głównych kampusów: Kakuma i Takaramachi, na których studiuje około 10 200 studentów, w tym 600 zagranicznych.
Zobacz oryginalną treść: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html