KANAZAWA, Japán, 2023. június 8. /PRNewswire/ — A Kanazawa Egyetem kutatói beszámoltak arról, hogyan lehet egy ultravékony ón-diszulfid réteggel felgyorsítani a szén-dioxid kémiai redukcióját egy karbonsemleges társadalom érdekében.
Az ipari folyamatokból kibocsátott szén-dioxid (CO2) újrahasznosítása elengedhetetlen az emberiség fenntartható, karbonsemleges társadalomra irányuló sürgető törekvésében. Emiatt jelenleg széles körben tanulmányozzák azokat az elektrokatalizátorokat, amelyek hatékonyan képesek a CO2-t más, kevésbé káros vegyi termékekké alakítani. A kétdimenziós (2D) fém-dikalkogenidekként ismert anyagosztály elektrokatalizátorként jöhet szóba a CO átalakításában, de ezek az anyagok gyakran versengő reakciókat is elősegítenek, csökkentve hatékonyságukat. Yasufumi Takahashi és a Kanazawa Egyetem Nanobiológiai Tudományos Intézetének (WPI-NanoLSI) kollégái azonosítottak egy kétdimenziós fém-dikalkogenidet, amely hatékonyan képes redukálni a CO2-t hangyasavvá, nemcsak természetes eredetű savvá. Sőt, ez a kapcsolat egy köztes lánc, amely kémiai szintézis terméke.
Takahashi és kollégái összehasonlították a kétdimenziós diszulfid (MoS2) és az ón-diszulfid (SnS2) katalitikus aktivitását. Mindkettő kétdimenziós fém-dikalkogenid, utóbbi különösen érdekes, mivel a tiszta ónról ismert, hogy katalizátorként működik a hangyasav előállításában. Ezen vegyületek elektrokémiai vizsgálata azt mutatta, hogy a hidrogénfejlődési reakció (HER) felgyorsul MoS2 használatával a CO2-átalakítás helyett. A HER olyan reakcióra utal, amely hidrogént termel, ami hasznos hidrogén üzemanyag előállításához, de a CO2 redukciója esetén ez egy nemkívánatos versengő folyamat. Másrészt az SnS2 jó CO2-redukáló aktivitást mutatott és gátolta a HER-t. A kutatók elektrokémiai méréseket is végeztek tömbi SnS2 poron, és azt találták, hogy kevésbé aktív a CO2 katalitikus redukciójában.
Annak megértéséhez, hogy hol helyezkednek el az SnS2-ben a katalitikusan aktív helyek, és miért teljesít jobban egy 2D-s anyag, mint egy tömbi vegyület, a tudósok egy pásztázó cellás elektrokémiai mikroszkópiának (SECCM) nevezett technikát alkalmaztak. A SECCM-et nanopipettaként használják, amely egy nanoskálájú, meniszkusz alakú elektrokémiai cellát képez a minták felületi reakcióira érzékeny próbák számára. A mérések azt mutatták, hogy az SnS2 lemez teljes felülete katalitikusan aktív, nem csak a szerkezet „platform” vagy „él” elemei. Ez azt is magyarázza, hogy a 2D-s SnS2 miért nagyobb aktivitású a tömbi SnS2-höz képest.
A számítások további betekintést nyújtanak a lejátszódó kémiai reakciókba. Különösen a hangyasav képződését azonosították energetikailag kedvező reakcióútnak, amikor 2D SnS2-t használnak katalizátorként.
Takahashi és kollégái eredményei fontos lépést jelentenek a kétdimenziós elektrokatalizátorok elektrokémiai CO2-csökkentési alkalmazásokban való alkalmazása felé. A tudósok a következőket állítják: „Ezek az eredmények jobban megértik és fejlesztik a kétdimenziós fém-dikalkogenid elektrokatalízis stratégiát a szén-dioxid elektrokémiai redukciójára, szénhidrogének, alkoholok, zsírsavak és alkének előállítására mellékhatások nélkül.”
A kétdimenziós (2D) fém-dikalkogenidek lemezei (vagy monorétegei) MX2 típusú anyagok, ahol M egy fématom, például molibdén (Mo) vagy ón (Sn), és X egy kalkogén atom, például kén (C). A szerkezet kifejezhető egy X atomokból álló rétegként egy M atomokból álló réteg tetején, amely viszont egy X atomokból álló rétegen helyezkedik el. A kétdimenziós fém-dikalkogenidek az úgynevezett kétdimenziós anyagok osztályába tartoznak (ide tartozik a grafén is), ami azt jelenti, hogy vékonyodnak. A 2D anyagok gyakran eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a tömbi (3D) megfelelőik.
A kétdimenziós fém-dikalkogenideket már vizsgálták elektrokatalitikus aktivitásuk szempontjából a hidrogénfejlődési reakcióban (HER), egy hidrogént termelő kémiai folyamatban. Most azonban Yasufumi Takahashi és a Kanazawai Egyetem munkatársai azt találták, hogy a kétdimenziós fém-dikalkogenid, az SnS2, nem mutat HER katalitikus aktivitást; ez rendkívül fontos tulajdonság a nyomvonal stratégiai kontextusában.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta és Yasufumi Takahashi. 1T/1H-SnS2 lemez a CO2 elektrokémiai átviteléhez, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Cím: Sejtek elektrokémiai mikroszkópiáján végzett pásztázó kísérletek az SnS2 lemezek katalitikus aktivitásának vizsgálatára a CO2-kibocsátás csökkentése érdekében.
A Kanazawa Egyetem Nanobiológiai Intézetét (NanoLSI) 2017-ben hozták létre a világ vezető nemzetközi kutatóközpontjának, a MEXT-nek a programja részeként. A program célja egy világszínvonalú kutatóközpont létrehozása. A biológiai pásztázó szondás mikroszkópia legfontosabb ismereteit ötvözve a NanoLSI létrehozza a „nanoendoszkópiai technológiát” a biomolekulák közvetlen képalkotására, elemzésére és manipulálására, hogy betekintést nyerjen az olyan életjelenségeket, mint a betegségek, szabályozó mechanizmusokba.
A Japán-tenger partján fekvő vezető általános oktatási egyetemként a Kanazawa Egyetem 1949-es alapítása óta jelentősen hozzájárult a japán felsőoktatáshoz és tudományos kutatáshoz. Az egyetemnek három főiskolája és 17 karral rendelkezik, amelyek olyan tudományágakat kínálnak, mint az orvostudomány, a számítástechnika és a humán tudományok.
Az egyetem Kanazawában található, egy történelméről és kultúrájáról híres városban, a Japán-tenger partján. A feudális korszak (1598-1867) óta Kanazawa tekintélyes intellektuális presztízsnek örvend. A Kanazawai Egyetem két fő kampusra, Kakuma és Takaramachi kampusra oszlik, és körülbelül 10 200 hallgatója van, akik közül 600 külföldi hallgató.
Eredeti tartalom megtekintése: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html