KANAZAWA, Japan, 8 juni 2023 /PRNewswire/ — Onderzoekers van de Universiteit van Kanazawa rapporteren hoe een ultradunne laag tindisulfide kan worden gebruikt om de chemische reductie van koolstofdioxide te versnellen, met het oog op een koolstofneutrale samenleving.
Het recyclen van koolstofdioxide (CO2) dat vrijkomt bij industriële processen is een noodzaak in de dringende zoektocht van de mensheid naar een duurzame, koolstofneutrale samenleving. Om die reden worden elektrokatalysatoren die CO2 efficiënt kunnen omzetten in andere, minder schadelijke chemische producten momenteel uitgebreid onderzocht. Een klasse materialen die bekend staan ​​als tweedimensionale (2D) metaaldichalcogeniden zijn kandidaten als elektrokatalysatoren voor CO2-omzetting, maar deze materialen bevorderen vaak ook concurrerende reacties, waardoor hun efficiëntie afneemt. Yasufumi Takahashi en collega's van het Nanobiology Science Institute (WPI-NanoLSI) van de Universiteit van Kanazawa hebben een tweedimensionaal metaaldichalcogenide geïdentificeerd dat CO2 effectief kan reduceren tot mierenzuur, niet alleen van natuurlijke oorsprong. Bovendien is deze verbinding een tussenproduct van chemische synthese.
Takahashi en collega's vergeleken de katalytische activiteit van tweedimensionaal disulfide (MoS2) en tindisulfide (SnS2). Beide zijn tweedimensionale metaaldichalcogeniden, waarbij de laatste van bijzonder belang is omdat zuiver tin bekend staat als katalysator voor de productie van mierenzuur. Elektrochemische testen van deze verbindingen toonden aan dat de waterstofontwikkelingsreactie (HER) wordt versneld door MoS2 in plaats van CO2-omzetting. HER verwijst naar een reactie die waterstof produceert, wat nuttig is bij de productie van waterstofbrandstof, maar in het geval van CO2-reductie is het een ongewenst concurrerend proces. SnS2 daarentegen vertoonde een goede CO2-reducerende activiteit en remde de HER. De onderzoekers voerden ook elektrochemische metingen uit aan bulk SnS2-poeder en ontdekten dat dit minder actief was bij de katalytische reductie van CO2.
Om te begrijpen waar de katalytisch actieve plaatsen in SnS2 zich bevinden en waarom een ​​2D-materiaal beter presteert dan een bulkverbinding, gebruikten de wetenschappers een techniek genaamd scanning cell electrochemical microscopy (SECCM). De SECCM wordt gebruikt als een nanopipet, die een nanoschaal meniscusvormige elektrochemische cel vormt voor sondes die gevoelig zijn voor oppervlaktereacties op monsters. De metingen toonden aan dat het gehele oppervlak van het SnS2-vel katalytisch actief was, niet alleen de "platform"- of "rand"-elementen in de structuur. Dit verklaart ook waarom 2D SnS2 een hogere activiteit heeft in vergelijking met bulk SnS2.
Berekeningen verschaffen meer inzicht in de chemische reacties die plaatsvinden. In het bijzonder is de vorming van mierenzuur geïdentificeerd als een energetisch gunstige reactieroute wanneer 2D SnS2 als katalysator wordt gebruikt.
De bevindingen van Takahashi en collega's markeren een belangrijke stap richting het gebruik van tweedimensionale elektrokatalysatoren in elektrochemische CO2-reductietoepassingen. De wetenschappers stellen: "Deze resultaten zullen bijdragen aan een beter begrip en de ontwikkeling van een tweedimensionale metaaldichalcogenide-elektrokatalysestrategie voor de elektrochemische reductie van koolstofdioxide tot koolwaterstoffen, alcoholen, vetzuren en alkenen, zonder ongewenste neveneffecten."
Tweedimensionale (2D) platen (of monolagen) van metaaldichalcogeniden zijn MX2-type materialen, waarbij M een metaalatoom is, zoals molybdeen (Mo) of tin (Sn), en X een chalcogeenatoom, zoals zwavel (C). De structuur kan worden weergegeven als een laag X-atomen bovenop een laag M-atomen, die op zijn beurt weer op een laag X-atomen ligt. Tweedimensionale metaaldichalcogeniden behoren tot een klasse van zogenaamde tweedimensionale materialen (waartoe ook grafeen behoort), wat betekent dat ze dun zijn. 2D-materialen hebben vaak andere fysische eigenschappen dan hun driedimensionale (3D) tegenhangers.
Tweedimensionale metaaldichalcogeniden zijn onderzocht op hun elektrokatalytische activiteit in de waterstofontwikkelingsreactie (HER), een chemisch proces dat waterstof produceert. Yasufumi Takahashi en collega's van de Universiteit van Kanazawa hebben echter nu ontdekt dat het tweedimensionale metaaldichalcogenide SnS2 geen katalytische activiteit vertoont in de HER; dit is een uiterst belangrijke eigenschap in de strategische context van het onderzoek.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta en Yasufumi Takahashi. Plaat 1T/1H-SnS2 voor elektrochemische overdracht van CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Titel: Scanexperimenten met elektrochemische microscopie van cellen om de katalytische activiteit van SnS2-platen te bestuderen voor het verminderen van CO2-uitstoot.
Het Nanobiologisch Instituut van de Universiteit van Kanazawa (NanoLSI) werd in 2017 opgericht als onderdeel van het programma van MEXT, een toonaangevend internationaal onderzoekscentrum. Het doel van dit programma is het creëren van een onderzoekscentrum van wereldklasse. Door de belangrijkste kennis op het gebied van biologische scanning probe-microscopie te combineren, ontwikkelt NanoLSI "nano-endoscopietechnologie" voor directe beeldvorming, analyse en manipulatie van biomoleculen. Hiermee wil men inzicht krijgen in de mechanismen die levensverschijnselen zoals ziekten beheersen.
Als toonaangevende universiteit voor algemeen onderwijs aan de kust van de Japanse Zee heeft de Universiteit van Kanazawa sinds haar oprichting in 1949 een grote bijdrage geleverd aan het hoger onderwijs en wetenschappelijk onderzoek in Japan. De universiteit telt drie faculteiten en zeventien scholen die disciplines aanbieden zoals geneeskunde, informatica en geesteswetenschappen.
De universiteit is gevestigd in Kanazawa, een stad die bekendstaat om haar geschiedenis en cultuur, aan de kust van de Japanse Zee. Sinds het feodale tijdperk (1598-1867) geniet Kanazawa een gezaghebbende intellectuele reputatie. De Universiteit van Kanazawa is verdeeld over twee hoofdcampussen, Kakuma en Takaramachi, en telt ongeveer 10.200 studenten, waarvan 600 internationale studenten.
Bekijk de originele inhoud: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html