คานาซาวะ ประเทศญี่ปุ่น 8 มิถุนายน 2023 /PRNewswire/ — นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคานาซาวะรายงานวิธีการใช้ชั้นบางพิเศษของทินไดซัลไฟด์เพื่อเร่งปฏิกิริยาลดคาร์บอนไดออกไซด์ทางเคมี เพื่อสังคมที่เป็นกลางทางคาร์บอน
การรีไซเคิลคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการแสวงหาสังคมที่ยั่งยืนและเป็นกลางทางคาร์บอนของมนุษยชาติ ด้วยเหตุนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่สามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็นผลิตภัณฑ์ทางเคมีอื่น ๆ ที่มีอันตรายน้อยกว่าได้อย่างมีประสิทธิภาพจึงได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน วัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่าโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติ (2D) เป็นตัวเลือกหนึ่งในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าสำหรับการเปลี่ยน CO2 แต่โดยทั่วไปแล้ววัสดุเหล่านี้มักส่งเสริมปฏิกิริยาแข่งขันอื่น ๆ ซึ่งลดประสิทธิภาพลง ยาสุฟุมิ ทาคาฮาชิและเพื่อนร่วมงานที่สถาบันวิทยาศาสตร์นาโนชีววิทยา มหาวิทยาลัยคานาซาวะ (WPI-NanoLSI) ได้ค้นพบโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติที่สามารถลด CO2 ให้เป็นกรดฟอร์มิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ใช่แค่กรดฟอร์มิกที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น การเชื่อมต่อนี้ยังเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของการสังเคราะห์ทางเคมีอีกด้วย
ทาคาฮาชิและเพื่อนร่วมงานได้เปรียบเทียบกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาของไดซัลไฟด์สองมิติ (MoS2) และไดซัลไฟด์ดีบุก (SnS2) ทั้งสองเป็นโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SnS2 ซึ่งมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากดีบุกบริสุทธิ์เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการผลิตกรดฟอร์มิก การทดสอบทางเคมีไฟฟ้าของสารประกอบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจน (HER) เร่งขึ้นเมื่อใช้ MoS2 แทนที่จะเป็นการแปลง CO2 HER หมายถึงปฏิกิริยาที่ผลิตไฮโดรเจน ซึ่งมีประโยชน์เมื่อต้องการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน แต่ในกรณีของการลด CO2 มันเป็นกระบวนการแข่งขันที่ไม่พึงประสงค์ ในทางกลับกัน SnS2 แสดงกิจกรรมการลด CO2 ที่ดีและยับยั้ง HER นักวิจัยยังได้ทำการวัดทางเคมีไฟฟ้าของผง SnS2 จำนวนมากและพบว่ามันมีกิจกรรมน้อยกว่าในการเร่งปฏิกิริยาลด CO2
เพื่อทำความเข้าใจว่าตำแหน่งของจุดที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาใน SnS2 อยู่ที่ใด และเหตุใดวัสดุ 2 มิติจึงทำงานได้ดีกว่าสารประกอบแบบก้อน นักวิทยาศาสตร์จึงใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์ไฟฟ้าเคมีแบบสแกนเซลล์ (SECCM) SECCM ถูกใช้เป็นนาโนปิเปต ทำให้เกิดเซลล์ไฟฟ้าเคมีรูปทรงเมนิสคัสขนาดนาโนสำหรับโพรบที่ไวต่อปฏิกิริยาบนพื้นผิวของตัวอย่าง การวัดแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวทั้งหมดของแผ่น SnS2 มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา ไม่ใช่เฉพาะส่วนที่เป็น "แพลตฟอร์ม" หรือ "ขอบ" ในโครงสร้างเท่านั้น นี่จึงอธิบายได้ว่าทำไม SnS2 แบบ 2 มิติจึงมีกิจกรรมสูงกว่า SnS2 แบบก้อน
การคำนวณให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเกิดกรดฟอร์มิกได้รับการระบุว่าเป็นเส้นทางปฏิกิริยาที่เอื้อต่อพลังงานเมื่อใช้ 2D SnS2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ผลการค้นพบของทาคาฮาชิและคณะถือเป็นก้าวสำคัญในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าแบบสองมิติในการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยกระบวนการทางไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า “ผลลัพธ์เหล่านี้จะช่วยให้เข้าใจและพัฒนาแนวทางการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าแบบโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติสำหรับการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรคาร์บอน แอลกอฮอล์ กรดไขมัน และแอลคีนโดยไม่มีผลข้างเคียงได้ดียิ่งขึ้น”
แผ่น (หรือชั้นโมโนเลเยอร์) สองมิติ (2D) ของโลหะไดแคลโคเจนิกส์เป็นวัสดุประเภท MX2 โดยที่ M คืออะตอมของโลหะ เช่น โมลิบเดนัม (Mo) หรือดีบุก (Sn) และ X คืออะตอมของแคลโคเจน เช่น ซัลเฟอร์ (C) โครงสร้างสามารถแสดงได้เป็นชั้นของอะตอม X อยู่บนชั้นของอะตอม M ซึ่งอยู่บนชั้นของอะตอม X อีกชั้นหนึ่ง โลหะไดแคลโคเจนิกส์สองมิติจัดอยู่ในกลุ่มวัสดุสองมิติ (ซึ่งรวมถึงกราฟีนด้วย) ซึ่งหมายความว่ามันบาง วัสดุ 2D มักมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างจากวัสดุสามมิติ (3D) ที่เป็นรูปทรงก้อน
มีการศึกษาโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติเพื่อหาฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจน (HER) ซึ่งเป็นกระบวนการทางเคมีที่ผลิตไฮโดรเจน แต่ในปัจจุบัน ยาสุฟุมิ ทาคาฮาชิ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยคานาซาวะ พบว่าโลหะไดแคลโคเจนิกสองมิติ SnS2 ไม่แสดงฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา HER ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างยิ่งในบริบทเชิงกลยุทธ์ของการวิจัยนี้
ยูสุเกะ คาวาเบะ, โยชิคาสุ อิโตะ, ยูตะ โฮริ, สุเรช คูคูนูริ, ฟูมิยะ ชิโอกาวะ, โทโมฮิโกะ นิชิอุจิ, ซามูเอล ชอน, โคสุเกะ คาตางิริ, เซยุ ซี, จิไค ลี, ยาสุเทรุ ชิเกตะ และ ยาสุฟุมิ ทาคาฮาชิ เพลต 1T/1H-SnS2 สำหรับการถ่ายโอนเคมีไฟฟ้าของ CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023)
หัวข้อ: การทดลองสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์ไฟฟ้าเคมีของเซลล์เพื่อศึกษาฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาของแผ่น SnS2 ในการลดการปล่อยก๊าซ CO2
สถาบันนาโนชีววิทยา มหาวิทยาลัยคานาซาวะ (NanoLSI) ก่อตั้งขึ้นในปี 2560 ภายใต้โครงการของกระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งสหรัฐอเมริกา (MEXT) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยระดับนานาชาติชั้นนำของโลก โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างศูนย์วิจัยระดับโลก NanoLSI ได้ผสานความรู้ที่สำคัญที่สุดในด้านกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนชีวภาพ (Biological Scanning Probe Microscopy) เพื่อสร้าง “เทคโนโลยีนาโนเอนโดสโคปี” สำหรับการถ่ายภาพ วิเคราะห์ และควบคุมโมเลกุลชีวภาพโดยตรง เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกที่ควบคุมปรากฏการณ์ทางชีวภาพ เช่น โรคต่างๆ
มหาวิทยาลัยคานาซาวะเป็นมหาวิทยาลัยชั้นนำด้านการศึกษาทั่วไปริมชายฝั่งทะเลญี่ปุ่น และได้สร้างคุณูปการอย่างมากมายต่อการศึกษาระดับสูงและการวิจัยทางวิชาการในญี่ปุ่นนับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 1949 มหาวิทยาลัยแห่งนี้มี 3 วิทยาลัยและ 17 โรงเรียนที่เปิดสอนสาขาวิชาต่างๆ เช่น แพทยศาสตร์ คอมพิวเตอร์ และมนุษยศาสตร์
มหาวิทยาลัยตั้งอยู่ในเมืองคานาซาวะ เมืองที่มีชื่อเสียงด้านประวัติศาสตร์และวัฒนธรรม บนชายฝั่งทะเลญี่ปุ่น นับตั้งแต่ยุคศักดินา (ค.ศ. 1598-1867) คานาซาวะก็มีชื่อเสียงทางด้านปัญญามาโดยตลอด มหาวิทยาลัยคานาซาวะแบ่งออกเป็นสองวิทยาเขตหลัก คือ คาคุมาและทาคารามาจิ มีนักศึกษาประมาณ 10,200 คน โดยเป็นนักศึกษาต่างชาติประมาณ 600 คน
ดูเนื้อหาต้นฉบับได้ที่: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html