קנזאווה, יפן, 8 ביוני 2023 /PRNewswire/ - חוקרים מאוניברסיטת קנזאווה מדווחים כיצד ניתן להשתמש בשכבה דקה במיוחד של דיסולפיד בדיל כדי להאיץ את ההפחתה הכימית של פחמן דו-חמצני, למען חברה ניטרלית מבחינת פחמן.
מיחזור פחמן דו-חמצני (CO2) הנפלט מתהליכים תעשייתיים הוא הכרח במסע הדחוף של האנושות לחברה בת קיימא וניטרלית מבחינת פחמן. מסיבה זו, נחקרים כיום בהרחבה אלקטרו-זרזים שיכולים להמיר ביעילות CO2 למוצרים כימיים פחות מזיקים. סוג של חומרים המכונים דיכלקוגנידים מתכתיים דו-ממדיים (2D) מועמדים כאלקטרו-זרזים להמרת CO2, אך חומרים אלה לעיתים קרובות גם מקדמים תגובות מתחרות, ומפחיתים את יעילותם. יאסופומי טקהאשי ועמיתיו במכון למדעי הננו-ביולוגיה של אוניברסיטת קאנזאווה (WPI-NanoLSI) זיהו דיכלקוגניד מתכתי דו-ממדי שיכול להפחית ביעילות CO2 לחומצה פורמית, לא רק ממקור טבעי. יתר על כן, קשר זה הוא חוליה ביניים של תוצר של סינתזה כימית.
טקהאשי ועמיתיו השוו את הפעילות הקטליטית של דיסולפיד דו-ממדי (MoS2) ודיסולפיד בדיל (SnS2). שניהם דיכלקוגנידים מתכתיים דו-ממדיים, כאשר האחרון מעניין במיוחד משום שידוע שבדיל טהור משמש כזרז לייצור חומצה פורמית. בדיקות אלקטרוכימיות של תרכובות אלו הראו שתגובת התפתחות המימן (HER) מואצת באמצעות MoS2 במקום המרת CO2. HER מתייחס לתגובה המייצרת מימן, דבר שימושי כאשר מתכוונים לייצר דלק מימן, אך במקרה של הפחתת CO2, זהו תהליך מתחרה לא רצוי. מצד שני, SnS2 הראה פעילות טובה להפחתת CO2 ועיכב HER. החוקרים ביצעו גם מדידות אלקטרוכימיות של אבקת SnS2 בתפזורת ומצאו שהיא פחות פעילה בהפחתה קטליטית של CO2.
כדי להבין היכן ממוקמים האתרים הפעילים קטליטי ב-SnS2 ומדוע חומר דו-ממדי מתפקד טוב יותר מתרכובת בתפזורת, המדענים השתמשו בטכניקה הנקראת מיקרוסקופיה אלקטרוכימית של תאי סורק (SECCM). ה-SECCM משמש כננו-פיפטה, ויוצר תא אלקטרוכימי בצורת מניסקוס בקנה מידה ננומטרי עבור גלאים הרגישות לתגובות פני השטח בדגימות. המדידות הראו שכל פני השטח של יריעת ה-SnS2 היו פעילים קטליטי, ולא רק אלמנטי ה"פלטפורמה" או ה"קצה" במבנה. זה גם מסביר מדוע ל-SnS2 דו-ממדי יש פעילות גבוהה יותר בהשוואה ל-SnS2 בתפזורת.
חישובים מספקים תובנות נוספות לגבי התגובות הכימיות המתרחשות. בפרט, היווצרות חומצה פורמית זוהתה כדרך תגובה אנרגטית נוחה כאשר משתמשים ב-SnS2 דו-ממדי כזרז.
ממצאי טקהאשי ועמיתיו מסמנים צעד חשוב לקראת השימוש באלקטרו-קטליזטורים דו-ממדיים ביישומי הפחתת CO2 אלקטרוכימיים. המדענים מציינים: "תוצאות אלו יספקו הבנה טובה יותר ופיתוח של אסטרטגיית אלקטרו-קטליזה דו-ממדית של דיכלקוגניד מתכתי להפחתה אלקטרוכימית של פחמן דו-חמצני לייצור פחמימנים, אלכוהולים, חומצות שומן ואלקנים ללא תופעות לוואי."
יריעות דו-ממדיות (2D) (או חד-שכבות) של דיכלקוגנידים מתכתיים הם חומרים מסוג MX2 כאשר M הוא אטום מתכת, כגון מוליבדן (Mo) או בדיל (Sn), ו-X הוא אטום כלקוגן, כגון גופרית (C). ניתן לבטא את המבנה כשכבה של אטומי X על גבי שכבה של אטומי M, אשר בתורה ממוקמת על שכבה של אטומי X. דיכלקוגנידים מתכתיים דו-ממדיים שייכים לסוג של חומרים כביכול דו-ממדיים (הכוללים גם גרפן), מה שאומר שהם דקים יותר. לחומרים דו-ממדיים יש לעתים קרובות תכונות פיזיקליות שונות מאשר לחומרים התלת-ממדיים שלהם.
דיכלקוגנידים מתכתיים דו-ממדיים נחקרו על מנת לבחון את פעילותם האלקטרו-קטליטית בתגובת התפתחות מימן (HER), תהליך כימי המייצר מימן. אך כעת, יאסופומי טקהאשי ועמיתיו מאוניברסיטת קאנזאווה מצאו כי הדיכלקוגניד המתכתי הדו-ממדי SnS2 אינו מציג פעילות קטליטית של HER; זוהי תכונה חשובה ביותר בהקשר האסטרטגי של השביל.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta ו-Yasufumi Takahashi. לוח 1T/1H-SnS2 להעברה אלקטרוכימית של CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
כותרת: ניסויי סריקה במיקרוסקופ אלקטרוכימי של תאים לחקר הפעילות הקטליטית של יריעות SnS2 להפחתת פליטות CO2.
המכון הננו-ביולוגי של אוניברסיטת קאנזאווה (NanoLSI) הוקם בשנת 2017 כחלק מתוכנית מרכז המחקר הבינלאומי המוביל בעולם MEXT. מטרת התוכנית היא ליצור מרכז מחקר ברמה עולמית. NanoLSI, המשלב את הידע החשוב ביותר במיקרוסקופיית סורק ביולוגי, מקימה "טכנולוגיית ננו-אנדוסקופיה" להדמיה ישירה, ניתוח ומניפולציה של ביומולקולות כדי לקבל תובנות לגבי המנגנונים השולטים בתופעות חיים כמו מחלות.
כאוניברסיטה מובילה לחינוך כללי בחוף ים יפן, אוניברסיטת קאנזאווה תרמה תרומה רבה להשכלה גבוהה ולמחקר אקדמי ביפן מאז הקמתה בשנת 1949. באוניברסיטה שלוש מכללות ו-17 בתי ספר המציעים תחומים כמו רפואה, מחשוב ומדעי הרוח.
האוניברסיטה ממוקמת בקנזאווה, עיר המפורסמת בהיסטוריה ובתרבות שלה, לחוף ים יפן. מאז התקופה הפיאודלית (1598-1867), קנזאווה נהנתה מיוקרה אינטלקטואלית סמכותית. אוניברסיטת קנזאווה מחולקת לשני קמפוסים עיקריים, קאקומה וטאקאראמאצ'י, ומונה כ-10,200 סטודנטים, מתוכם 600 סטודנטים בינלאומיים.
צפה בתוכן המקורי: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html