KANAZAWA, Jaapan, 8. juuni 2023 /PRNewswire/ – Kanazawa ülikooli teadlased annavad aru, kuidas üliõhukest tinadisulfiidi kihti saab kasutada süsinikdioksiidi keemilise redutseerimise kiirendamiseks süsinikneutraalse ühiskonna nimel.
Tööstusprotsessidest eralduva süsinikdioksiidi (CO2) ringlussevõtt on inimkonna kiireloomulises püüdluses jätkusuutliku ja süsinikuneutraalse ühiskonna poole hädavajalik. Sel põhjusel uuritakse praegu laialdaselt elektrokatalüsaatoreid, mis suudavad CO2 tõhusalt muundada vähem kahjulikeks keemiatoodeteks. Kahemõõtmeliste (2D) metalldikalkogeniididena tuntud materjalide klass on CO muundamise elektrokatalüsaatorite kandidaadid, kuid need materjalid soodustavad sageli ka konkureerivaid reaktsioone, vähendades nende efektiivsust. Yasufumi Takahashi ja tema kolleegid Kanazawa ülikooli Nanobioloogia Teadusinstituudist (WPI-NanoLSI) on tuvastanud kahemõõtmelise metalldikalkogeniidi, mis suudab CO2 tõhusalt taandada sipelghappeks, mis pole ainult loodusliku päritoluga. Lisaks on see ühendus keemilise sünteesi vaheühend.
Takahashi ja tema kolleegid võrdlesid kahemõõtmelise disulfiidi (MoS2) ja tina disulfiidi (SnS2) katalüütilist aktiivsust. Mõlemad on kahemõõtmelised metalli dikalkogeniidid, millest viimane pakub erilist huvi, kuna puhas tina on teadaolevalt sipelghappe tootmise katalüsaator. Nende ühendite elektrokeemiline testimine näitas, et vesiniku eraldumise reaktsioon (HER) kiireneb MoS2 abil CO2 muundamise asemel. HER viitab reaktsioonile, mis toodab vesinikku, mis on kasulik vesinikkütuse tootmisel, kuid CO2 vähendamise korral on see soovimatu konkureeriv protsess. Teisest küljest näitas SnS2 head CO2 redutseerivat aktiivsust ja pärssis HER-i. Teadlased tegid ka SnS2 pulbri elektrokeemilisi mõõtmisi ja leidsid, et see oli CO2 katalüütilises redutseerimises vähem aktiivne.
Et mõista, kus SnS2-s asuvad katalüütiliselt aktiivsed kohad ja miks kahemõõtmeline materjal toimib paremini kui puhas ühend, kasutasid teadlased tehnikat, mida nimetatakse skaneeriva raku elektrokeemiliseks mikroskoopiaks (SECCM). SECCM-i kasutatakse nanopipettina, moodustades nanoskaala meniskikujulise elektrokeemilise raku sondidele, mis on tundlikud proovide pinnareaktsioonide suhtes. Mõõtmised näitasid, et kogu SnS2 lehe pind oli katalüütiliselt aktiivne, mitte ainult struktuuri "platvormi" või "serva" elemendid. See selgitab ka seda, miks kahemõõtmelisel SnS2-l on suurem aktiivsus võrreldes puhaste SnS2-ga.
Arvutused annavad täiendavat teavet toimuvate keemiliste reaktsioonide kohta. Eelkõige on sipelghappe moodustumine tuvastatud energeetiliselt soodsa reaktsioonitee kaudu, kui katalüsaatorina kasutatakse 2D SnS2.
Takahashi ja tema kolleegide tulemused tähistavad olulist sammu kahemõõtmeliste elektrokatalüsaatorite kasutamise suunas elektrokeemilises CO2 vähendamise rakendustes. Teadlased tsiteerivad: „Need tulemused annavad parema arusaama ja aitavad arendada kahemõõtmelist metallidikalkogeniidi elektrokatalüüsi strateegiat süsinikdioksiidi elektrokeemiliseks redutseerimiseks, et toota süsivesinikke, alkohole, rasvhappeid ja alkeene ilma kõrvalmõjudeta.“
Kahemõõtmelised (2D) metalldikalkogeniidide lehed (või monokihid) on MX2-tüüpi materjalid, kus M on metalli aatom, näiteks molübdeen (Mo) või tina (Sn) ja X on kalkogeeni aatom, näiteks väävel (C). Struktuuri saab väljendada X-aatomite kihina M-aatomite kihi peal, mis omakorda asub X-aatomite kihil. Kahemõõtmelised metalldikalkogeniidid kuuluvad nn kahemõõtmeliste materjalide klassi (kuhu kuulub ka grafeen), mis tähendab, et nad on õhukesed. 2D-materjalidel on sageli erinevad füüsikalised omadused kui nende 3D-materjalidel.
Kahemõõtmelisi metalldikalkogeniide on uuritud nende elektrokatalüütilise aktiivsuse osas vesiniku eraldumise reaktsioonis (HER), mis on vesinikku tootev keemiline protsess. Nüüd on Yasufumi Takahashi ja tema kolleegid Kanazawa ülikoolist aga leidnud, et kahemõõtmeline metalldikalkogeniid SnS2 ei oma HER katalüütilist aktiivsust; see on raja strateegilises kontekstis äärmiselt oluline omadus.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta ja Yasufumi Takahashi. Plaat 1T/1H-SnS2 CO2 elektrokeemiliseks ülekandeks, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Pealkiri: Rakkude elektrokeemilise mikroskoopia skaneerimiskatsed SnS2-lehtede katalüütilise aktiivsuse uurimiseks CO2-heitmete vähendamiseks.
Kanazawa Ülikooli Nanobioloogia Instituut (NanoLSI) asutati 2017. aastal osana maailma juhtiva rahvusvahelise uurimiskeskuse MEXT programmist. Programmi eesmärk on luua maailmatasemel uurimiskeskus. Kombineerides bioloogilise skaneeriva sondmikroskoopia kõige olulisemad teadmised, loob NanoLSI „nanoendoskoopia tehnoloogia“ biomolekulide otseseks pildistamiseks, analüüsimiseks ja manipuleerimiseks, et saada ülevaade mehhanismidest, mis kontrollivad elunähtusi, näiteks haigusi.
Jaapani mere rannikul asuva juhtiva üldharidusülikoolina on Kanazawa Ülikool alates asutamisest 1949. aastal andnud suure panuse Jaapani kõrgharidusse ja akadeemilisse uurimistöösse. Ülikoolil on kolm kolledžit ja 17 teaduskonda, mis pakuvad selliseid erialasid nagu meditsiin, arvutiteadus ja humanitaarteadused.
Ülikool asub Kanazawas, Jaapani mere rannikul asuvas ajaloo ja kultuuri poolest kuulsas linnas. Feodaalajastust (1598–1867) alates on Kanazawal olnud autoriteetne intellektuaalne prestiiž. Kanazawa ülikool jaguneb kaheks peamiseks ülikoolilinnakuks, Kakuma ja Takaramachi, ning seal õpib umbes 10 200 üliõpilast, kellest 600 on rahvusvahelised üliõpilased.
Vaata originaalsisu: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html