KANAZAWA, Japonia, 8 iunie 2023 /PRNewswire/ — Cercetătorii de la Universitatea Kanazawa raportează cum un strat ultrasubțire de disulfură de staniu poate fi utilizat pentru a accelera reducerea chimică a dioxidului de carbon, pentru o societate neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon.
Reciclarea dioxidului de carbon (CO2) emis de procesele industriale este o necesitate în căutarea urgentă a umanității pentru o societate sustenabilă și neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon. Din acest motiv, electrocatalizatorii care pot converti eficient CO2 în alte produse chimice mai puțin dăunătoare sunt în prezent studiați pe scară largă. O clasă de materiale cunoscute sub numele de dicalcogenuri metalice bidimensionale (2D) sunt candidați ca electrocatalizatori pentru conversia CO2, dar aceste materiale promovează adesea și reacții concurente, reducându-le eficiența. Yasufumi Takahashi și colegii săi de la Institutul de Științe Nanobiologice al Universității Kanazawa (WPI-NanoLSI) au identificat o dicalcogenură metalică bidimensională care poate reduce eficient CO2 la acid formic, nu doar de origine naturală. Mai mult, această conexiune este un produs intermediar al sintezei chimice.
Takahashi și colegii săi au comparat activitatea catalitică a disulfurii bidimensionale (MoS2) și a disulfurii de staniu (SnS2). Ambele sunt dicalcogenuri metalice bidimensionale, cea din urmă prezentând un interes deosebit deoarece staniul pur este cunoscut ca fiind un catalizator pentru producerea acidului formic. Testarea electrochimică a acestor compuși a arătat că reacția de evoluție a hidrogenului (HER) este accelerată folosind MoS2 în loc de conversia CO2. HER se referă la o reacție care produce hidrogen, ceea ce este util atunci când se intenționează producerea de combustibil hidrogen, dar în cazul reducerii CO2, este un proces concurent nedorit. Pe de altă parte, SnS2 a prezentat o bună activitate de reducere a CO2 și a inhibat HER. Cercetătorii au efectuat, de asemenea, măsurători electrochimice ale pulberii de SnS2 în vrac și au descoperit că aceasta a fost mai puțin activă în reducerea catalitică a CO2.
Pentru a înțelege unde sunt localizate situsurile active catalitic în SnS2 și de ce un material 2D are performanțe mai bune decât un compus în vrac, oamenii de știință au folosit o tehnică numită microscopie electrochimică cu celule de scanare (SECCM). SECCM este utilizat ca o nanopipată, formând o celulă electrochimică în formă de menisc la scară nanometrică pentru sonde sensibile la reacțiile de suprafață ale probelor. Măsurătorile au arătat că întreaga suprafață a foii de SnS2 era activă catalitic, nu doar elementele „platformă” sau „margine” din structură. Acest lucru explică, de asemenea, de ce SnS2 2D are o activitate mai mare în comparație cu SnS2 în vrac.
Calculele oferă informații suplimentare despre reacțiile chimice care au loc. În special, formarea acidului formic a fost identificată ca o cale de reacție favorabilă din punct de vedere energetic atunci când SnS2 2D este utilizat drept catalizator.
Constatările lui Takahashi și colegilor săi marchează un pas important către utilizarea electrocatalizatorilor bidimensionali în aplicațiile de reducere electrochimică a CO2. Oamenii de știință citează: „Aceste rezultate vor oferi o mai bună înțelegere și dezvoltare a unei strategii bidimensionale de electrocataliză a dicalcogenurilor metalice pentru reducerea electrochimică a dioxidului de carbon pentru a produce hidrocarburi, alcooli, acizi grași și alchene fără efecte secundare.”
Foliile (sau monostraturile) bidimensionale (2D) de dicalcogenuri metalice sunt materiale de tip MX2, unde M este un atom de metal, cum ar fi molibdenul (Mo) sau staniul (Sn), iar X este un atom de calcogen, cum ar fi sulful (C). Structura poate fi exprimată ca un strat de atomi X deasupra unui strat de atomi M, care la rândul său este situat pe un strat de atomi X. Dicalcogenurile metalice bidimensionale aparțin unei clase de așa-numite materiale bidimensionale (care include și grafenul), ceea ce înseamnă că se subțiază. Materialele 2D au adesea proprietăți fizice diferite față de omologii lor în vrac (3D).
Dicalcogenurile metalice bidimensionale au fost investigate pentru activitatea lor electrocatalitică în reacția de evoluție a hidrogenului (HER), un proces chimic care produce hidrogen. Însă acum, Yasufumi Takahashi și colegii săi de la Universitatea din Kanazawa au descoperit că dicalcogenura metalică bidimensională SnS2 nu prezintă activitate catalitică HER; aceasta este o proprietate extrem de importantă în contextul strategic al studiului.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta și Yasufumi Takahashi. Placa 1T/1H-SnS2 pentru transferul electrochimic de CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Titlu: Experimente de scanare la microscopia electrochimică a celulelor pentru studierea activității catalitice a foilor de SnS2 în vederea reducerii emisiilor de CO2.
Institutul Nanobiologic al Universității Kanazawa (NanoLSI) a fost înființat în 2017 ca parte a programului MEXT, cel mai important centru de cercetare internațional din lume. Scopul programului este de a crea un centru de cercetare de talie mondială. Combinând cele mai importante cunoștințe din microscopia biologică cu sondă de scanare, NanoLSI stabilește „tehnologia nanoendoscopiei” pentru imagistica directă, analiza și manipularea biomoleculelor pentru a obține o înțelegere mai clară a mecanismelor care controlează fenomenele vitale, cum ar fi bolile.
Ca universitate de învățământ general de top pe coasta Mării Japoniei, Universitatea Kanazawa a adus contribuții semnificative la învățământul superior și cercetarea academică din Japonia încă de la înființarea sa în 1949. Universitatea are trei colegii și 17 școli care oferă discipline precum medicină, informatică și științe umaniste.
Universitatea este situată în Kanazawa, un oraș renumit pentru istoria și cultura sa, pe coasta Mării Japoniei. Încă din epoca feudală (1598-1867), Kanazawa s-a bucurat de un prestigiu intelectual autoritar. Universitatea Kanazawa este împărțită în două campusuri principale, Kakuma și Takaramachi, și are aproximativ 10.200 de studenți, dintre care 600 sunt studenți internaționali.
Vedeți conținutul original: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html