КАНАДЗАВА, Япония, 8 июня 2023 г. /PRNewswire/ — Исследователи из Университета Каназавы сообщают о том, как сверхтонкий слой дисульфида олова может быть использован для ускорения химического восстановления диоксида углерода с целью создания углеродно-нейтрального общества.
Переработка углекислого газа (CO2), выбрасываемого в результате промышленных процессов, является необходимостью в неотложном стремлении человечества к устойчивому, углеродно-нейтральному обществу. По этой причине в настоящее время широко изучаются электрокатализаторы, способные эффективно преобразовывать CO2 в другие, менее вредные химические продукты. Класс материалов, известных как двумерные (2D) дихалькогениды металлов, являются кандидатами на роль электрокатализаторов для преобразования CO2, но эти материалы часто также способствуют конкурирующим реакциям, снижая их эффективность. Ясуфуми Такахаши и его коллеги из Института нанобиологии Университета Канадзавы (WPI-NanoLSI) идентифицировали двумерный дихалькогенид металла, который может эффективно восстанавливать CO2 до муравьиной кислоты, причем не только природного происхождения. Более того, эта связь является промежуточным звеном, продуктом химического синтеза.
Такахаши и его коллеги сравнили каталитическую активность двумерного дисульфида (MoS2) и дисульфида олова (SnS2). Оба являются двумерными дихалькогенидами металлов, причем последний представляет особый интерес, поскольку известно, что чистое олово является катализатором производства муравьиной кислоты. Электрохимические исследования этих соединений показали, что реакция выделения водорода (HER) ускоряется при использовании MoS2 вместо превращения CO2. HER — это реакция, в результате которой образуется водород, что полезно при производстве водородного топлива, но в случае восстановления CO2 это нежелательный конкурирующий процесс. С другой стороны, SnS2 показал хорошую активность в восстановлении CO2 и подавлял HER. Исследователи также провели электрохимические измерения порошка SnS2 и обнаружили, что он менее активен в каталитическом восстановлении CO2.
Чтобы понять, где расположены каталитически активные центры в SnS2 и почему двумерный материал демонстрирует лучшие характеристики, чем объемное соединение, ученые использовали метод сканирующей электрохимической микроскопии (SECCM). SECCM используется в качестве нанопипетки, образующей наноразмерную электрохимическую ячейку в форме мениска для зондов, чувствительных к поверхностным реакциям на образцах. Измерения показали, что каталитически активна вся поверхность листа SnS2, а не только «платформенные» или «краевые» элементы структуры. Это также объясняет, почему двумерный SnS2 обладает более высокой активностью по сравнению с объемным SnS2.
Расчеты позволяют получить более полное представление о происходящих химических реакциях. В частности, было установлено, что образование муравьиной кислоты является энергетически выгодным путем реакции при использовании двумерного SnS2 в качестве катализатора.
Результаты исследований Такахаши и его коллег знаменуют собой важный шаг на пути к использованию двумерных электрокатализаторов в электрохимических процессах восстановления CO2. Ученые отмечают: «Эти результаты позволят лучше понять и разработать стратегию электрокатализа с использованием двумерных дихалькогенидов металлов для электрохимического восстановления диоксида углерода с целью получения углеводородов, спиртов, жирных кислот и алкенов без побочных эффектов».
Двумерные (2D) слои (или монослои) дихалькогенидов металлов представляют собой материалы типа MX2, где M — атом металла, например, молибден (Mo) или олово (Sn), а X — атом халькогена, например, сера (C). Структуру можно представить как слой атомов X поверх слоя атомов M, который, в свою очередь, расположен на слое атомов X. Двумерные дихалькогениды металлов относятся к классу так называемых двумерных материалов (к которому также относится графен), что означает, что они тонкие. 2D-материалы часто обладают иными физическими свойствами, чем их объемные (3D) аналоги.
Двумерные дихалькогениды металлов исследовались на предмет их электрокаталитической активности в реакции выделения водорода (HER), химическом процессе, в результате которого образуется водород. Однако теперь Ясуфуми Такахаши и его коллеги из Университета Канадзавы обнаружили, что двумерный дихалькогенид металла SnS2 не проявляет каталитической активности в реакции выделения водорода; это чрезвычайно важное свойство в стратегическом контексте данного исследования.
Юсуке Кавабе, Ёсиказу Ито, Юта Хори, Суреш Кукунури, Фумия Сиокава, Томохико Нисиучи, Самуэль Чон, Косуке Катагири, Зею Си, Чикай Ли, Ясутеру Сигета и Ясуфуми Такахаши. Пластина 1T/1H-SnS2 для электрохимического переноса CO2, АСУ XX, XXX–XXX (2023 г.).
Название: Сканирующие эксперименты по электрохимической микроскопии клеток для изучения каталитической активности листов SnS2 с целью снижения выбросов CO2.
Институт нанобиологии Университета Канадзавы (NanoLSI) был создан в 2017 году в рамках программы ведущего мирового международного исследовательского центра MEXT. Цель программы — создание научно-исследовательского центра мирового класса. Объединяя важнейшие знания в области биологической сканирующей зондовой микроскопии, NanoLSI разрабатывает «наноэндоскопическую технологию» для прямой визуализации, анализа и манипулирования биомолекулами с целью получения представления о механизмах, контролирующих такие жизненные явления, как заболевания.
Будучи ведущим университетом общего образования на побережье Японского моря, Университет Канадзава с момента своего основания в 1949 году внес значительный вклад в высшее образование и научные исследования в Японии. В состав университета входят три колледжа и 17 факультетов, предлагающих такие дисциплины, как медицина, информатика и гуманитарные науки.
Университет расположен в Канадзаве, городе, известном своей историей и культурой, на побережье Японского моря. Со времен феодальной эпохи (1598-1867) Канадзава пользовалась авторитетным интеллектуальным престижем. Университет Канадзавы разделен на два основных кампуса, Какума и Такарамачи, и насчитывает около 10 200 студентов, 600 из которых — иностранные студенты.
Оригинал статьи доступен по ссылке: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html