КАНАЗАВА, Япония, 8 юни 2023 г. /PRNewswire/ — Изследователи от университета Каназава съобщават как ултратънък слой калаен дисулфид може да се използва за ускоряване на химическото редуциране на въглероден диоксид за въглеродно неутрално общество.
Рециклирането на въглероден диоксид (CO2), отделян от промишлените процеси, е необходимост в неотложния стремеж на човечеството към устойчиво, въглеродно неутрално общество. Поради тази причина в момента широко се изучават електрокатализаторите, които могат ефективно да преобразуват CO2 в други, по-малко вредни химични продукти. Клас материали, известни като двуизмерни (2D) метални дихалкогениди, са кандидати за електрокатализатори за преобразуване на CO, но тези материали често също така насърчават конкурентни реакции, намалявайки тяхната ефективност. Ясуфуми Такахаши и колегите му от Института по нанобиологични науки (WPI-NanoLSI) към университета Каназава са идентифицирали двуизмерен метален дихалкогенид, който може ефективно да редуцира CO2 до мравчена киселина, не само с естествен произход. Освен това, тази връзка е междинно звено, продукт на химичния синтез.
Такахаши и колегите му сравниха каталитичната активност на двуизмерния дисулфид (MoS2) и калаения дисулфид (SnS2). И двата са двуизмерни метални дихалкогениди, като последният е от особен интерес, тъй като е известно, че чистият калай е катализатор за производството на мравчена киселина. Електрохимичното тестване на тези съединения показа, че реакцията на отделяне на водород (HER) се ускорява с помощта на MoS2 вместо преобразуване на CO2. HER се отнася до реакция, която произвежда водород, което е полезно, когато се възнамерява да се произвежда водородно гориво, но в случай на редукция на CO2, това е нежелан конкурентен процес. От друга страна, SnS2 показа добра редуцираща активност на CO2 и инхибира HER. Изследователите също така направиха електрохимични измервания на насипен прах SnS2 и установиха, че той е по-малко активен в каталитичната редукция на CO2.
За да разберат къде се намират каталитично активните места в SnS2 и защо двуизмерният материал се представя по-добре от насипното съединение, учените са използвали техника, наречена сканираща клетъчна електрохимична микроскопия (SECCM). SECCM се използва като нанопипета, образувайки наноразмерна електрохимична клетка с форма на менискус за сонди, чувствителни към повърхностни реакции върху проби. Измерванията показват, че цялата повърхност на листа SnS2 е каталитично активна, а не само „платформата“ или „крайните“ елементи в структурата. Това обяснява и защо двуизмерният SnS2 има по-висока активност в сравнение с насипния SnS2.
Изчисленията предоставят допълнителна информация за протичащите химични реакции. По-специално, образуването на мравчена киселина е идентифицирано като енергийно благоприятен реакционен път, когато 2D SnS2 се използва като катализатор.
Констатациите на Такахаши и колегите му бележат важна стъпка към използването на двуизмерни електрокатализатори в приложения за електрохимично намаляване на CO2. Учените цитират: „Тези резултати ще осигурят по-добро разбиране и разработване на двуизмерна стратегия за електрокатализа на метални дихалкогениди за електрохимично редуциране на въглероден диоксид за получаване на въглеводороди, алкохоли, мастни киселини и алкени без странични ефекти.“
Двуизмерните (2D) листове (или монослоеве) от метални дихалкогениди са материали от тип MX2, където M е метален атом, като молибден (Mo) или калай (Sn), а X е халкогенен атом, като сяра (C). Структурата може да се изрази като слой от X атоми върху слой от M атоми, който от своя страна е разположен върху слой от X атоми. Двуизмерните метални дихалкогениди принадлежат към клас така наречените двуизмерни материали (който включва и графен), което означава, че са тънки. 2D материалите често имат различни физични свойства от своите обемни (3D) аналози.
Двумерните метални дихалкогениди са изследвани за тяхната електрокаталитична активност в реакцията на отделяне на водород (HER), химичен процес, който произвежда водород. Но сега Ясуфуми Такахаши и колеги от университета в Каназава са открили, че двумерният метален дихалкогенид SnS2 не проявява HER каталитична активност; това е изключително важно свойство в стратегическия контекст на проучването.
Юсуке Кавабе, Йошиказу Ито, Юта Хори, Суреш Кукунури, Фумия Шиокава, Томохико Нишиучи, Самуел Чон, Косуке Катагири, Зейу Си, Чикай Лий, Ясутеру Шигета и Ясуфуми Такахаши. Плоча 1T/1H-SnS2 за електрохимичен пренос на CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Заглавие: Сканиращи експерименти върху електрохимична микроскопия на клетки за изследване на каталитичната активност на SnS2 листове за намаляване на емисиите на CO2.
Нанобиологичният институт към университета Каназава (NanoLSI) е създаден през 2017 г. като част от програмата на водещия световен международен изследователски център MEXT. Целта на програмата е да се създаде изследователски център от световна класа. Съчетавайки най-важните знания в областта на биологичната сканираща сондова микроскопия, NanoLSI установява „наноендоскопска технология“ за директно изобразяване, анализ и манипулиране на биомолекули, за да се получи представа за механизмите, които контролират жизнени явления като болести.
Като водещ общообразователен университет на брега на Японско море, Университетът Каназава е допринесъл значително за висшето образование и академичните изследвания в Япония от основаването си през 1949 г. Университетът има три колежа и 17 училища, предлагащи дисциплини като медицина, компютърни науки и хуманитарни науки.
Университетът се намира в Каназава, град, известен със своята история и култура, на брега на Японско море. Още от феодалната епоха (1598-1867 г.) Каназава се радва на авторитетен интелектуален престиж. Университетът Каназава е разделен на два основни кампуса, Какума и Такарамачи, и има около 10 200 студенти, 600 от които са чуждестранни студенти.
Вижте оригиналното съдържание: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html