KANAZAWA, Japani, 8. kesäkuuta 2023 /PRNewswire/ — Kanazawan yliopiston tutkijat raportoivat, kuinka erittäin ohutta tinadisulfidikerrosta voidaan käyttää hiilidioksidin kemiallisen pelkistyksen nopeuttamiseen hiilineutraalin yhteiskunnan saavuttamiseksi.
Teollisuusprosesseista vapautuvan hiilidioksidin (CO2) kierrätys on välttämätöntä ihmiskunnan kiireellisessä pyrkimyksessä kestävään ja hiilineutraaliin yhteiskuntaan. Tästä syystä parhaillaan tutkitaan laajalti elektrokatalyyttejä, jotka voivat tehokkaasti muuntaa CO2:n muiksi, vähemmän haitallisiksi kemiallisiksi tuotteiksi. Kaksiulotteisina (2D) metallidikalkogenideinä tunnettu materiaaliluokka on ehdokas elektrokatalyyteiksi CO-muunnokseen, mutta nämä materiaalit usein myös edistävät kilpailevia reaktioita, mikä heikentää niiden tehokkuutta. Yasufumi Takahashi ja hänen kollegansa Kanazawan yliopiston Nanobiologian tiedeinstituutissa (WPI-NanoLSI) ovat tunnistaneet kaksiulotteisen metallidikalkogenidin, joka voi tehokkaasti pelkistää CO2:n muurahaishapoksi, eikä vain luonnollista alkuperää olevaksi. Lisäksi tämä yhteys on kemiallisen synteesin välituote.
Takahashi ja kollegat vertasivat kaksiulotteisen disulfidin (MoS2) ja tinadisulfidin (SnS2) katalyyttistä aktiivisuutta. Molemmat ovat kaksiulotteisia metallidikalkogenidejä, joista jälkimmäinen on erityisen kiinnostava, koska puhtaan tinan tiedetään toimivan katalyyttinä muurahaishapon tuotannossa. Näiden yhdisteiden sähkökemialliset testit osoittivat, että vedynkehitysreaktio (HER) kiihtyy käyttämällä MoS2:ta CO2-konversion sijaan. HER viittaa reaktioon, joka tuottaa vetyä, mikä on hyödyllistä vetypolttoaineen tuotannossa, mutta CO2-pelkistyksen tapauksessa se on ei-toivottu kilpaileva prosessi. Toisaalta SnS2 osoitti hyvää CO2-pelkistysaktiivisuutta ja esti HER:iä. Tutkijat tekivät myös sähkökemiallisia mittauksia bulkkimateriaalista, SnS2-jauheesta, ja havaitsivat, että se oli vähemmän aktiivinen CO2:n katalyyttisessä pelkistyksessä.
Ymmärtääkseen, missä SnS2:n katalyyttisesti aktiiviset kohdat sijaitsevat ja miksi 2D-materiaali toimii paremmin kuin bulkkiyhdiste, tutkijat käyttivät tekniikkaa nimeltä pyyhkäisykennosähkökemiallinen mikroskopia (SECCM). SECCM:ää käytetään nanopipettina, joka muodostaa nanomittakaavan meniskimuotoisen sähkökemiallisen kennon antureille, jotka ovat herkkiä näytteiden pintareaktioille. Mittaukset osoittivat, että koko SnS2-levyn pinta oli katalyyttisesti aktiivinen, ei vain rakenteen "alusta"- tai "reuna"-elementit. Tämä selittää myös, miksi 2D-SnS2:lla on korkeampi aktiivisuus verrattuna bulkki-SnS2:een.
Laskelmat antavat lisätietoa tapahtuvista kemiallisista reaktioista. Erityisesti muurahaishapon muodostuminen on tunnistettu energeettisesti suotuisaksi reaktioreitiksi, kun katalyyttinä käytetään 2D-SnS2:ta.
Takahashin ja kollegoiden löydökset merkitsevät tärkeää askelta kohti kaksiulotteisten elektrokatalyyttien käyttöä sähkökemiallisissa CO2-päästöjen vähentämissovelluksissa. Tutkijat toteavat: ”Nämä tulokset tarjoavat paremman ymmärryksen ja kehityksen kaksiulotteiselle metallidikalkogenidi-elektrokatalyysistrategialle hiilidioksidin sähkökemialliseksi pelkistämiseksi hiilivetyjen, alkoholien, rasvahappojen ja alkeenien tuottamiseksi ilman sivuvaikutuksia.”
Kaksiulotteiset (2D) metallidikalkogenidien levyt (tai yksikerrokset) ovat MX2-tyyppisiä materiaaleja, joissa M on metalliatomi, kuten molybdeeni (Mo) tai tina (Sn), ja X on kalkogeeniatomi, kuten rikki (C). Rakenne voidaan ilmaista X-atomien kerroksena M-atomien kerroksen päällä, joka puolestaan ​​sijaitsee X-atomien kerroksen päällä. Kaksiulotteiset metallidikalkogenidit kuuluvat niin sanottujen kaksiulotteisten materiaalien luokkaan (johon kuuluu myös grafeeni), mikä tarkoittaa, että ne ohenevat. 2D-materiaaleilla on usein erilaiset fysikaaliset ominaisuudet kuin niiden bulkkimateriaaleilla (3D).
Kaksiulotteisten metallidikalkogenidien elektrokatalyyttistä aktiivisuutta on tutkittu vedynkehitysreaktiossa (HER), joka on kemiallinen prosessi, joka tuottaa vetyä. Mutta nyt Yasufumi Takahashi ja hänen kollegansa Kanazawan yliopistossa ovat havainneet, että kaksiulotteinen metallidikalkogenidi SnS2 ei osoita HER-katalyyttistä aktiivisuutta; tämä on erittäin tärkeä ominaisuus polun strategisessa kontekstissa.
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. Levy 1T/1H-SnS2 CO2:n sähkökemialliseen siirtoon, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Otsikko: Solujen sähkökemiallisen mikroskopian skannauskokeet SnS2-levyjen katalyyttisen aktiivisuuden tutkimiseksi CO2-päästöjen vähentämiseksi.
Kanazawan yliopiston Nanobiologinen instituutti (NanoLSI) perustettiin vuonna 2017 osana maailman johtavan kansainvälisen tutkimuskeskuksen MEXT:n ohjelmaa. Ohjelman tavoitteena on luoda maailmanluokan tutkimuskeskus. Yhdistämällä biologisen pyyhkäisymikroskopian tärkeimmän tietämyksen NanoLSI luo "nanoendoskopiateknologian" biomolekyylien suoraan kuvantamiseen, analysointiin ja manipulointiin, jotta saadaan käsitys elämän ilmiöitä, kuten sairauksia, säätelevistä mekanismeista.
Japaninmeren rannikon johtavana yleissivistävänä yliopistona Kanazawan yliopisto on antanut merkittävän panoksen Japanin korkeakoulutukseen ja akateemiseen tutkimukseen perustamisestaan ​​vuonna 1949 lähtien. Yliopistolla on kolme korkeakoulua ja 17 tiedekuntaa, jotka tarjoavat aloja, kuten lääketiedettä, tietojenkäsittelyä ja humanistisia tieteitä.
Yliopisto sijaitsee Kanazawassa, historiastaan ​​ja kulttuuristaan ​​kuuluisassa kaupungissa Japaninmeren rannikolla. Feodaaliajasta (1598–1867) lähtien Kanazawalla on ollut arvovaltainen älyllinen arvovalta. Kanazawan yliopisto on jaettu kahteen pääkampukseen, Kakumaan ja Takaramachiin, ja siellä on noin 10 200 opiskelijaa, joista 600 on kansainvälisiä opiskelijoita.
Katso alkuperäinen sisältö: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html