Đo đạc tia X tiết lộ vai trò bất ngờ của đồng trong xúc tác quang hóa
Đồng là một chất xúc tác hứa hẹn cho chuyển đổi bền vững carbon dioxide thành các hợp chất nhiều electron hơn (gọi là các dạng khử). Đây là một bước quan trọng để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu. Phản ứng này thường được khởi động bằng dòng điện nhưng cũng có thể đạt được bằng việc sử dụng năng lượng mặt trời.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu biết đầy đủ về bản chất hóa học của xúc tác đồng trong suốt quá trình phản ứng với mặt trời. Trong công trình này, các nhà khoa học đã sử dụng tia X để tìm hiểu về cách các xúc tác đồng khi chỉ do ánh sáng điều khiển và không áp dòng điện nào.
Những thay đổi với thành phần đồng trong suốt quá trình phản ứng chỉ dấu là nó đóng một vai trò người ta chưa lường được. Thay vì hình thành một dạng khử, đồng tạo ra các chất hóa học ô xy hóa nhiều hơn.
Hiểu về các xúc tác đồng hoạt động dưới bức xạ mặt trời là yếu tố chính để có thể sử dụng chúng bắt carbon và chuyển đổi nó cho nhiều ứng dụng mở rộng khác. Nghiên cứu gần đây, được xuất bản trên tạp chí ACS Nano, khám phá đồng hành hình nhiều chất ô xy hóa hơn khi kết hợp với một tia plasmonic hấp thụ vật liệu.
Plasmonics liên quan đến sự rung đồng bộ của các electron trong các kim loại. Công trình mới này đem lại hướng dẫn quan trọng để thiết kế và tối ưu các hệ xúc tác chứa ánh sáng. Các nhà nghiên cứu thực hiện việc khử carbon dioxide xúc tác quang hóa trong những điều kiện không áp dòng điện.
Nghiên cứu đó sử dụng các chất xúc tác kết hợp bán dẫn gallium-nitrogen (GaN) dạng p, các chất hấp thụ ánh sáng vàng plasmonic, và các đồng xúc tác đồng (p-GaN/Al2O3/Au/Cu). Các nhà khoa học tại Trung tâm đổi mới sáng tạo năng lượng tia mặt trời đã tìm hiểu vai trò mang tính cơ chế của xúc tác đồng trong hệ này.
Nghiên cứu này sử dụng các đo đạc quang phổ hấp thụ tia X có đồng, kali ở rìa tại Nguồn sáng Bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL). Thiết bị này là một cơ sở nghiên cứu của Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Mỹ.
Khi tiếp túc với carbon dioxide pha khí và các điều kiện phản ứng hóa hơi nước, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra thành phần của đồng và một hỗn hợp của ô xít đồng (I) và đồng (II), hydroxide, và các hợp chất carbonate không chứa đồng kim loại. Trong các điều kiện vận hành quang hóa với bức xạ ánh sáng khả kiến, nhóm nghiên cứu quan sát nhiều hơn tình trạng ô xi hóa của đồng.
Điều đó chỉ dấu là ánh sáng ban đầu chuyển tư vàng sang đồng. Quan sá này được các tính toán về mặt nguyên lý về sự sắp xếp dải các thành phần đồng ô xy hóa cùng với các hạt vàng plasmonic, nơi vận chuyển điều hướng bằng ánh sáng từ vàng sang đồng ưa nhiệt động lực học.
Những phát hiện này chỉ dấu trong những điều kiện phản ứng pha khí không cần điện, đồng đóng vai trò như chất chống ô xy hóa hơn là chất khử trong xúc tác quang hóa khi kết cặp với các hạt vàng plasmonic cho việc hấp thụ ánh sáng.
Thanh Đức dịch từ US Department of Energy
