KANAZAWA, Japan, 8. juni 2023 /PRNewswire/ — Forskere ved Kanazawa University rapporterer hvordan et ultratynt lag med tinndisulfid kan brukes til å akselerere den kjemiske reduksjonen av karbondioksid for et karbonnøytralt samfunn.
Resirkulering av karbondioksid (CO2) som slippes ut fra industrielle prosesser er en nødvendighet i menneskehetens presserende søken etter et bærekraftig, karbonnøytralt samfunn. Av denne grunn studeres det for tiden mye på elektrokatalysatorer som effektivt kan omdanne CO2 til andre mindre skadelige kjemiske produkter. En klasse materialer kjent som todimensjonale (2D) metalldikalkogenider er kandidater som elektrokatalysatorer for CO-omdanning, men disse materialene fremmer ofte også konkurrerende reaksjoner, noe som reduserer effektiviteten deres. Yasufumi Takahashi og kolleger ved Kanazawa Universitys Nanobiology Science Institute (WPI-NanoLSI) har identifisert et todimensjonalt metalldikalkogenid som effektivt kan redusere CO2 til maursyre, ikke bare av naturlig opprinnelse. Dessuten er denne forbindelsen et mellomprodukt i kjemisk syntese.
Takahashi og kolleger sammenlignet den katalytiske aktiviteten til todimensjonal disulfid (MoS2) og tinndisulfid (SnS2). Begge er todimensjonale metalldikalkogenider, sistnevnte er av spesiell interesse fordi rent tinn er kjent for å være en katalysator for produksjon av maursyre. Elektrokjemisk testing av disse forbindelsene viste at hydrogenutviklingsreaksjonen (HER) akselereres ved bruk av MoS2 i stedet for CO2-omdanning. HER refererer til en reaksjon som produserer hydrogen, noe som er nyttig når man har til hensikt å produsere hydrogendrivstoff, men i tilfelle CO2-reduksjon er det en uønsket konkurrerende prosess. På den annen side viste SnS2 god CO2-reduserende aktivitet og hemmet HER. Forskerne tok også elektrokjemiske målinger av bulk SnS2-pulver og fant at det var mindre aktivt i katalytisk reduksjon av CO2.
For å forstå hvor de katalytisk aktive stedene befinner seg i SnS2 og hvorfor et 2D-materiale yter bedre enn en bulkforbindelse, brukte forskerne en teknikk som kalles skanningscelleelektrokjemisk mikroskopi (SECCM). SECCM brukes som en nanopipette, og danner en nanoskala meniskformet elektrokjemisk celle for prober som er følsomme for overflatereaksjoner på prøver. Målingene viste at hele overflaten av SnS2-arket var katalytisk aktiv, ikke bare "plattform"- eller "kant"-elementene i strukturen. Dette forklarer også hvorfor 2D SnS2 har høyere aktivitet sammenlignet med bulk-SnS2.
Beregninger gir ytterligere innsikt i de kjemiske reaksjonene som finner sted. Spesielt har dannelsen av maursyre blitt identifisert som en energetisk gunstig reaksjonsvei når 2D SnS2 brukes som katalysator.
Funnene til Takahashi og kollegene markerer et viktig skritt mot bruk av todimensjonale elektrokatalysatorer i elektrokjemiske CO2-reduksjonsapplikasjoner. Forskerne siterer: «Disse resultatene vil gi en bedre forståelse og utvikling av en todimensjonal metalldikalkogenid-elektrokatalysestrategi for elektrokjemisk reduksjon av karbondioksid for å produsere hydrokarboner, alkoholer, fettsyrer og alkener uten bivirkninger.»
Todimensjonale (2D) ark (eller monolag) av metalldikalkogenider er MX2-type materialer der M er et metallatom, slik som molybden (Mo) eller tinn (Sn), og X er et kalkogenatom, slik som svovel (C). Strukturen kan uttrykkes som et lag med X-atomer oppå et lag med M-atomer, som igjen er plassert på et lag med X-atomer. Todimensjonale metalldikalkogenider tilhører en klasse såkalte todimensjonale materialer (som også inkluderer grafen), noe som betyr at de tynnes ut. 2D-materialer har ofte andre fysiske egenskaper enn sine bulk-motparter (3D).
Todimensjonale metalldikalkogenider har blitt undersøkt for deres elektrokatalytiske aktivitet i hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), en kjemisk prosess som produserer hydrogen. Men nå har Yasufumi Takahashi og kolleger ved Universitetet i Kanazawa funnet ut at det todimensjonale metalldikalkogenidet SnS2 ikke viser HER-katalytisk aktivitet; dette er en ekstremt viktig egenskap i den strategiske konteksten av stien.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta og Yasufumi Takahashi. Plate 1T/1H-SnS2 for elektrokjemisk overføring av CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Tittel: Skanningseksperimenter med elektrokjemisk mikroskopi av celler for å studere den katalytiske aktiviteten til SnS2-ark for å redusere CO2-utslipp.
Det nanobiologiske instituttet ved Kanazawa University (NanoLSI) ble etablert i 2017 som en del av programmet til verdens ledende internasjonale forskningssenter MEXT. Målet med programmet er å skape et forskningssenter i verdensklasse. Ved å kombinere den viktigste kunnskapen innen biologisk skanningsprobemikroskopi, etablerer NanoLSI «nanoendoskopiteknologi» for direkte avbildning, analyse og manipulering av biomolekyler for å få innsikt i mekanismene som kontrollerer livsfenomener som sykdom.
Som et ledende universitet for allmennfaglig utdanning ved kysten av Japanhavet har Kanazawa University gitt store bidrag til høyere utdanning og akademisk forskning i Japan siden grunnleggelsen i 1949. Universitetet har tre høyskoler og 17 skoler som tilbyr fagområder som medisin, informatikk og humaniora.
Universitetet ligger i Kanazawa, en by kjent for sin historie og kultur, ved kysten av Japanhavet. Siden føydaltiden (1598-1867) har Kanazawa nytt godt av en autoritativ intellektuell prestisje. Kanazawa University er delt inn i to hovedcampuser, Kakuma og Takaramachi, og har rundt 10 200 studenter, hvorav 600 er internasjonale studenter.
Se originalinnholdet: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html