KANAZAWA, Nhật Bản, ngày 8 tháng 6 năm 2023 /PRNewswire/ — Các nhà nghiên cứu Đại học Kanazawa báo cáo về cách một lớp màng siêu mỏng thiếc disulfide có thể được sử dụng để đẩy nhanh quá trình khử hóa học carbon dioxide, hướng tới một xã hội trung hòa carbon.
Việc tái chế khí carbon dioxide (CO2) phát thải từ các quy trình công nghiệp là một điều cần thiết trong nỗ lực cấp bách của nhân loại nhằm hướng tới một xã hội bền vững, trung hòa carbon. Vì lý do này, các chất xúc tác điện hóa có thể chuyển đổi CO2 một cách hiệu quả thành các sản phẩm hóa học ít độc hại hơn hiện đang được nghiên cứu rộng rãi. Một nhóm vật liệu được gọi là các chất dichalcogenide kim loại hai chiều (2D) là những ứng cử viên cho vai trò chất xúc tác điện hóa trong quá trình chuyển đổi CO2, nhưng những vật liệu này thường cũng thúc đẩy các phản ứng cạnh tranh, làm giảm hiệu quả của chúng. Yasufumi Takahashi và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Nanobiology thuộc Đại học Kanazawa (WPI-NanoLSI) đã xác định được một chất dichalcogenide kim loại hai chiều có thể khử CO2 thành axit formic một cách hiệu quả, không chỉ có nguồn gốc tự nhiên. Hơn nữa, chất này là một mắt xích trung gian, sản phẩm của quá trình tổng hợp hóa học.
Takahashi và các cộng sự đã so sánh hoạt tính xúc tác của disulfua hai chiều (MoS2) và disulfua thiếc (SnS2). Cả hai đều là các dichalcogenua kim loại hai chiều, trong đó SnS2 đặc biệt được quan tâm vì thiếc nguyên chất được biết đến là chất xúc tác cho quá trình sản xuất axit formic. Thử nghiệm điện hóa của các hợp chất này cho thấy phản ứng tạo khí hydro (HER) được tăng tốc khi sử dụng MoS2 thay vì chuyển hóa CO2. HER là phản ứng tạo ra hydro, hữu ích khi muốn sản xuất nhiên liệu hydro, nhưng trong trường hợp khử CO2, nó là một quá trình cạnh tranh không mong muốn. Mặt khác, SnS2 cho thấy hoạt tính khử CO2 tốt và ức chế HER. Các nhà nghiên cứu cũng đã thực hiện các phép đo điện hóa đối với bột SnS2 khối và nhận thấy rằng nó kém hoạt động hơn trong quá trình khử CO2 bằng xúc tác.
Để hiểu rõ vị trí các điểm hoạt tính xúc tác trong SnS2 và lý do tại sao vật liệu 2D lại hoạt động tốt hơn so với hợp chất khối, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật gọi là kính hiển vi điện hóa tế bào quét (SECCM). SECCM được sử dụng như một ống nano, tạo thành một tế bào điện hóa hình dạng màng mỏng ở kích thước nano dành cho các đầu dò nhạy cảm với các phản ứng bề mặt trên mẫu. Các phép đo cho thấy toàn bộ bề mặt của tấm SnS2 đều có hoạt tính xúc tác, chứ không chỉ các phần tử "nền tảng" hoặc "cạnh" trong cấu trúc. Điều này cũng giải thích tại sao SnS2 2D có hoạt tính cao hơn so với SnS2 khối.
Các phép tính cung cấp thêm thông tin chi tiết về các phản ứng hóa học diễn ra. Đặc biệt, sự hình thành axit fomic đã được xác định là một con đường phản ứng thuận lợi về mặt năng lượng khi sử dụng SnS2 2D làm chất xúc tác.
Những phát hiện của Takahashi và các đồng nghiệp đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới việc sử dụng chất xúc tác điện hóa hai chiều trong các ứng dụng khử CO2 bằng điện hóa. Các nhà khoa học cho biết: “Những kết quả này sẽ giúp hiểu rõ hơn và phát triển chiến lược xúc tác điện hóa bằng chất lưỡng chalcogenua kim loại hai chiều để khử carbon dioxide bằng điện hóa, tạo ra hydrocarbon, rượu, axit béo và anken mà không gây ra tác dụng phụ.”
Các tấm (hoặc lớp đơn) hai chiều (2D) của các chất lưỡng chalcogenua kim loại là vật liệu loại MX2, trong đó M là nguyên tử kim loại, chẳng hạn như molypden (Mo) hoặc thiếc (Sn), và X là nguyên tử chalcogen, chẳng hạn như lưu huỳnh (C). Cấu trúc có thể được biểu diễn như một lớp các nguyên tử X nằm trên một lớp các nguyên tử M, lớp này lại nằm trên một lớp các nguyên tử X. Các chất lưỡng chalcogenua kim loại hai chiều thuộc một lớp các vật liệu hai chiều (bao gồm cả graphene), có nghĩa là chúng mỏng. Vật liệu 2D thường có các tính chất vật lý khác với các vật liệu khối (3D) tương ứng.
Các chất dichalcogenide kim loại hai chiều đã được nghiên cứu về hoạt tính xúc tác điện hóa trong phản ứng tạo khí hydro (HER), một quá trình hóa học sản sinh ra hydro. Nhưng giờ đây, Yasufumi Takahashi và các đồng nghiệp tại Đại học Kanazawa đã phát hiện ra rằng chất dichalcogenide kim loại hai chiều SnS2 không thể hiện hoạt tính xúc tác HER; đây là một đặc tính cực kỳ quan trọng trong bối cảnh chiến lược của con đường mòn này.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta và Yasufumi Takahashi. Tấm 1T/1H-SnS2 dùng để truyền điện hóa CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Tiêu đề: Thí nghiệm quét hiển vi điện hóa tế bào để nghiên cứu hoạt tính xúc tác của tấm SnS2 trong việc giảm phát thải CO2.
Viện Sinh học Nano thuộc Đại học Kanazawa (NanoLSI) được thành lập năm 2017 như một phần của chương trình thuộc trung tâm nghiên cứu quốc tế hàng đầu thế giới MEXT. Mục tiêu của chương trình là tạo ra một trung tâm nghiên cứu đẳng cấp thế giới. Kết hợp những kiến ​​thức quan trọng nhất trong kính hiển vi quét đầu dò sinh học, NanoLSI thiết lập “công nghệ nội soi nano” để trực tiếp chụp ảnh, phân tích và thao tác các phân tử sinh học nhằm hiểu rõ hơn về các cơ chế kiểm soát các hiện tượng sinh học như bệnh tật.
Là một trường đại học hàng đầu về giáo dục tổng hợp nằm trên bờ biển Nhật Bản, Đại học Kanazawa đã có những đóng góp to lớn cho giáo dục đại học và nghiên cứu học thuật tại Nhật Bản kể từ khi thành lập vào năm 1949. Trường có ba trường cao đẳng và 17 khoa đào tạo các ngành như y học, công nghệ thông tin và nhân văn.
Trường đại học này nằm ở Kanazawa, một thành phố nổi tiếng về lịch sử và văn hóa, bên bờ biển Nhật Bản. Từ thời phong kiến ​​(1598-1867), Kanazawa đã享有 uy tín trí thức hàng đầu. Đại học Kanazawa được chia thành hai khu học xá chính, Kakuma và Takaramachi, và có khoảng 10.200 sinh viên, trong đó có 600 sinh viên quốc tế.
Xem nội dung gốc: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html