KANAZAWA, Giappone, 8 giugno 2023 /PRNewswire/ — I ricercatori dell'Università di Kanazawa descrivono come un sottilissimo strato di disolfuro di stagno possa essere utilizzato per accelerare la riduzione chimica dell'anidride carbonica, contribuendo così a una società a impatto zero.
Il riciclo dell'anidride carbonica (CO2) emessa dai processi industriali è una necessità nell'urgente ricerca dell'umanità di una società sostenibile e a impatto zero. Per questo motivo, gli elettrocatalizzatori in grado di convertire efficacemente la CO2 in altri prodotti chimici meno dannosi sono attualmente oggetto di ampio studio. Una classe di materiali noti come dicalcogenuri metallici bidimensionali (2D) è candidata come elettrocatalizzatore per la conversione della CO2, ma questi materiali spesso promuovono anche reazioni competitive, riducendone l'efficienza. Yasufumi Takahashi e i suoi colleghi del Nanobiology Science Institute (WPI-NanoLSI) dell'Università di Kanazawa hanno identificato un dicalcogenuro metallico bidimensionale in grado di ridurre efficacemente la CO2 ad acido formico, non solo di origine naturale. Inoltre, questa connessione rappresenta un anello intermedio nella sintesi chimica.
Takahashi e colleghi hanno confrontato l'attività catalitica del disolfuro bidimensionale (MoS2) e del disolfuro di stagno (SnS2). Entrambi sono dicalcogenuri metallici bidimensionali, quest'ultimo di particolare interesse poiché lo stagno puro è noto per essere un catalizzatore per la produzione di acido formico. Test elettrochimici su questi composti hanno dimostrato che la reazione di sviluppo di idrogeno (HER) viene accelerata utilizzando MoS2 anziché la conversione di CO2. La HER si riferisce a una reazione che produce idrogeno, utile quando si intende produrre combustibile a idrogeno, ma nel caso della riduzione della CO2, è un processo competitivo indesiderato. D'altra parte, SnS2 ha mostrato una buona attività di riduzione della CO2 e ha inibito la HER. I ricercatori hanno anche effettuato misurazioni elettrochimiche su polvere di SnS2 e hanno scoperto che era meno attiva nella riduzione catalitica della CO2.
Per comprendere dove si trovano i siti cataliticamente attivi nell'SnS2 e perché un materiale bidimensionale (2D) ha prestazioni migliori rispetto a un composto massivo, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata microscopia elettrochimica a scansione cellulare (SECCM). La SECCM viene utilizzata come una nanopipetta, che forma una cella elettrochimica a menisco su scala nanometrica per sonde sensibili alle reazioni superficiali sui campioni. Le misurazioni hanno mostrato che l'intera superficie del foglio di SnS2 era cataliticamente attiva, non solo gli elementi "piattaforma" o "bordo" della struttura. Questo spiega anche perché l'SnS2 bidimensionale ha un'attività maggiore rispetto all'SnS2 massivo.
I calcoli forniscono ulteriori informazioni sulle reazioni chimiche che hanno luogo. In particolare, la formazione di acido formico è stata identificata come una via di reazione energeticamente favorevole quando si utilizza SnS2 bidimensionale come catalizzatore.
I risultati ottenuti da Takahashi e colleghi rappresentano un passo importante verso l'utilizzo di elettrocatalizzatori bidimensionali nelle applicazioni di riduzione elettrochimica della CO2. Gli scienziati affermano: "Questi risultati consentiranno una migliore comprensione e lo sviluppo di una strategia di elettrocatalisi con dicalcogenuri metallici bidimensionali per la riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica, al fine di produrre idrocarburi, alcoli, acidi grassi e alcheni senza effetti collaterali."
I fogli bidimensionali (2D) (o monostrati) di dicalcogenuri metallici sono materiali di tipo MX2, dove M è un atomo di metallo, come il molibdeno (Mo) o lo stagno (Sn), e X è un atomo di calcogeno, come lo zolfo (C). La struttura può essere espressa come uno strato di atomi X sopra uno strato di atomi M, che a sua volta si trova sopra uno strato di atomi X. I dicalcogenuri metallici bidimensionali appartengono a una classe di cosiddetti materiali bidimensionali (che include anche il grafene), il che significa che sono sottili. I materiali 2D hanno spesso proprietà fisiche diverse rispetto alle loro controparti tridimensionali (3D).
I dicalcogenuri metallici bidimensionali sono stati studiati per la loro attività elettrocatalitica nella reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), un processo chimico che produce idrogeno. Ora, però, Yasufumi Takahashi e i suoi colleghi dell'Università di Kanazawa hanno scoperto che il dicalcogenuro metallico bidimensionale SnS2 non presenta attività catalitica nella reazione HER; questa è una proprietà estremamente importante nel contesto strategico del percorso.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta e Yasufumi Takahashi. Piastra 1T/1H-SnS2 per trasferimento elettrochimico di CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Titolo: Esperimenti di scansione mediante microscopia elettrochimica di cellule per studiare l'attività catalitica di fogli di SnS2 per ridurre le emissioni di CO2.
L'Istituto di Nanobiologia dell'Università di Kanazawa (NanoLSI) è stato fondato nel 2017 nell'ambito del programma del MEXT, uno dei principali centri di ricerca internazionali al mondo. L'obiettivo del programma è creare un centro di ricerca di livello mondiale. Combinando le conoscenze più importanti nel campo della microscopia a scansione di sonda biologica, NanoLSI sviluppa la "tecnologia della nanoendoscopia" per l'imaging diretto, l'analisi e la manipolazione delle biomolecole, al fine di comprendere i meccanismi che regolano fenomeni vitali come le malattie.
In quanto prestigiosa università di formazione generale situata sulla costa del Mar del Giappone, l'Università di Kanazawa ha dato un contributo fondamentale all'istruzione superiore e alla ricerca accademica in Giappone sin dalla sua fondazione nel 1949. L'università comprende tre facoltà e 17 scuole che offrono discipline quali medicina, informatica e scienze umanistiche.
L'università si trova a Kanazawa, una città famosa per la sua storia e cultura, sulla costa del Mar del Giappone. Fin dall'epoca feudale (1598-1867), Kanazawa ha goduto di un autorevole prestigio intellettuale. L'Università di Kanazawa è suddivisa in due campus principali, Kakuma e Takaramachi, e conta circa 10.200 studenti, di cui 600 internazionali.
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