Los científicos usan peróxido para observar las reacciones de los óxidos metálicos

Investigadores de la Universidad de Binghamton dirigieron una investigación en asociación con el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, para ver mejor cómo los peróxidos en la superficie del óxido de cobre promueven la oxidación del hidrógeno, pero inhiben la oxidación del monóxido de carbono, lo que les permite dirigir las reacciones de oxidación. Pudieron observar estos cambios rápidos con dos métodos de espectroscopia complementarios que no se han utilizado de esta manera. Los resultados de este trabajo ha sido publicado en el diario procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

“El cobre es una de las superficies más estudiadas y relevantes, tanto en catálisis como en ciencia de la corrosión”, explicó Anibal Boscoboinik, científico de materiales de CFN. «Muchas piezas mecánicas que se utilizan en la industria están hechas de cobre, por lo que es muy importante tratar de comprender este elemento de los procesos de corrosión».

«Siempre me ha gustado mirar los sistemas de cobre», dijo Ashley Head, también científica de materiales en CFN. «Tienen propiedades y reacciones tan interesantes, algunas de las cuales son realmente sorprendentes».

Obtener una mejor comprensión de los catalizadores de óxido brinda a los investigadores un mayor control de las reacciones químicas que producen, incluidas las soluciones para la energía limpia. El cobre, por ejemplo, puede formar catalíticamente y convertir metanol en combustibles valiosos, por lo que poder controlar la cantidad de oxígeno y la cantidad de electrones en el cobre es un paso clave para las reacciones químicas eficientes.

Peróxido como proxy

Los peróxidos son compuestos químicos que contienen dos átomos de oxígeno unidos por electrones compartidos. El enlace en los peróxidos es bastante débil, lo que permite que otros químicos alteren su estructura, lo que los hace muy reactivos. En este experimento, los científicos pudieron alterar los pasos redox de las reacciones de oxidación catalítica en una superficie de cobre oxidado (CuO) al identificar la composición de las especies de peróxido formadas con diferentes gases: O₂ (oxígeno), H₂ (hidrógeno) y CO (monóxido de carbono).

Redox es una combinación de reducción y oxidación. En este proceso, el agente oxidante gana un electrón y el reductor pierde un electrón. Al comparar estas diferentes especies de peróxido y cómo se desarrollaron estos pasos, los investigadores encontraron que una capa superficial de peróxido mejoró significativamente la reducibilidad de CuO a favor de H₂ oxidación. También encontraron que, por otro lado, actuaba como un inhibidor para suprimir la reducción de CuO frente a la oxidación de CO (monóxido de carbono). Descubrieron que este efecto opuesto del peróxido en las dos reacciones de oxidación proviene de la modificación de los sitios de la superficie donde tiene lugar la reacción.

Al encontrar estos sitios de unión y aprender cómo promueven o inhiben la oxidación, los científicos pueden usar estos gases para obtener un mayor control de cómo se desarrollan estas reacciones. Sin embargo, para ajustar estas reacciones, los científicos tenían que tener una visión clara de lo que estaba sucediendo.

Las herramientas adecuadas para el trabajo

Estudiando esta reacción en el lugar fue importante para el equipo, ya que los peróxidos son muy reactivos y estos cambios ocurren rápidamente. Sin las herramientas o el entorno adecuados, es difícil captar un momento tan limitado en la superficie.

Las especies de peróxido en las superficies de cobre nunca se observaron usando en el lugar espectroscopia infrarroja (IR) en el pasado. Con esta técnica, los investigadores utilizan la radiación infrarroja para comprender mejor las propiedades químicas de un material al observar la forma en que la radiación se absorbe o se refleja en las condiciones de reacción. En este experimento, los científicos pudieron diferenciar «especies» de peróxido, con variaciones muy leves en el oxígeno que transportaban, que de otro modo habría sido muy difícil de identificar en una superficie de óxido metálico.

«Me emocioné mucho cuando estaba buscando los espectros infrarrojos de estas especies de peróxido en una superficie y vi que no había muchas publicaciones. Fue emocionante que pudiéramos ver estas diferencias usando una técnica que no se aplica ampliamente a este tipo de especies», recordó Head.

Sin embargo, la espectroscopia IR por sí sola no era suficiente para estar seguro, razón por la cual el equipo también utilizó otra técnica de espectroscopia llamada espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) a presión ambiental. XPS utiliza rayos X de menor energía para expulsar electrones de la muestra. La energía de estos electrones les da a los científicos pistas sobre las propiedades químicas de los átomos en la muestra. Tener ambas técnicas disponibles a través del Programa de usuario de CFN fue clave para hacer posible esta investigación.

«Una de las cosas de las que nos enorgullecemos son los instrumentos que tenemos y modificamos aquí», dijo Boscoboinik. «Nuestros instrumentos están conectados, por lo que los usuarios pueden mover la muestra en un entorno controlado entre estas dos técnicas y estudiarlas in situ para obtener información complementaria. En la mayoría de las demás circunstancias, un usuario tendría que sacar la muestra para ir a un instrumento diferente. , y que el cambio de ambiente podría alterar su superficie”.

«Una buena característica de CFN radica no solo en sus instalaciones científicas de última generación, sino también en las oportunidades que brinda para capacitar a jóvenes investigadores», dijo Guangwen Zhou, profesor de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson. Departamento de Ingeniería Mecánica y el programa de Ciencia de Materiales de la Universidad de Binghamton. «Cada uno de los estudiantes involucrados se ha beneficiado de una amplia experiencia práctica en las herramientas de microscopía y espectroscopía disponibles en CFN».

Este trabajo se logró con las contribuciones de cuatro Ph.D. estudiantes del grupo de Zhou: Yaguang Zhu y Jianyu Wang, los primeros coautores de este artículo, y Shyam Patel y Chaoran Li. Todos estos estudiantes están al principio de su carrera y acaban de obtener su doctorado en 2022.

Hallazgos futuros

Los resultados de este estudio pueden aplicarse a otros tipos de reacciones y otros catalizadores además del cobre. Estos hallazgos y los procesos y técnicas que llevaron a los científicos allí podrían encontrar su camino hacia la investigación relacionada. Los óxidos metálicos se utilizan ampliamente como catalizadores o como componentes de los catalizadores. Ajustar la formación de peróxido en otros óxidos podría ser una forma de bloquear o mejorar las reacciones superficiales durante otros procesos catalíticos.

«Estoy involucrado en algunos otros proyectos relacionados con el cobre y los óxidos de cobre, incluida la transformación de dióxido de carbono en metanol para usarlo como combustible para energía limpia», dijo Head. «Observar estos peróxidos en la misma superficie que uso tiene el potencial de tener un impacto en otros proyectos que usan cobre y otros óxidos metálicos».