KANAZAWA, Japão, 8 de junho de 2023 /PRNewswire/ — Pesquisadores da Universidade de Kanazawa relatam como uma camada ultrafina de dissulfeto de estanho pode ser usada para acelerar a redução química do dióxido de carbono, visando uma sociedade neutra em carbono.
A reciclagem do dióxido de carbono (CO2) emitido por processos industriais é uma necessidade na busca urgente da humanidade por uma sociedade sustentável e neutra em carbono. Por esse motivo, eletrocatalisadores capazes de converter CO2 em outros produtos químicos menos nocivos estão sendo amplamente estudados. Uma classe de materiais conhecida como dicalcogenetos metálicos bidimensionais (2D) são candidatos a eletrocatalisadores para a conversão de CO2, mas esses materiais frequentemente promovem reações concorrentes, reduzindo sua eficiência. Yasufumi Takahashi e seus colegas do Instituto de Nanobiologia da Universidade de Kanazawa (WPI-NanoLSI) identificaram um dicalcogeneto metálico bidimensional capaz de reduzir o CO2 a ácido fórmico, não apenas de origem natural, mas também como um produto intermediário da síntese química.
Takahashi e seus colegas compararam a atividade catalítica do dissulfeto bidimensional (MoS2) e do dissulfeto de estanho (SnS2). Ambos são dicalcogenetos metálicos bidimensionais, sendo o último de particular interesse porque o estanho puro é conhecido por ser um catalisador na produção de ácido fórmico. Testes eletroquímicos desses compostos mostraram que a reação de evolução de hidrogênio (HER) é acelerada com o uso de MoS2 em vez da conversão de CO2. A HER refere-se a uma reação que produz hidrogênio, o que é útil para a produção de hidrogênio como combustível, mas, no caso da redução de CO2, é um processo competitivo indesejável. Por outro lado, o SnS2 apresentou boa atividade na redução de CO2 e inibiu a HER. Os pesquisadores também realizaram medições eletroquímicas do pó de SnS2 em massa e descobriram que ele era menos ativo na redução catalítica de CO2.
Para entender onde os sítios cataliticamente ativos estão localizados no SnS2 e por que um material 2D apresenta melhor desempenho do que um composto em massa, os cientistas utilizaram uma técnica chamada microscopia eletroquímica de varredura de célula (SECCM). A SECCM funciona como uma nanopipeta, formando uma célula eletroquímica em nanoescala com formato de menisco para sondas sensíveis a reações superficiais nas amostras. As medições mostraram que toda a superfície da folha de SnS2 era cataliticamente ativa, e não apenas os elementos da "plataforma" ou da "borda" da estrutura. Isso também explica por que o SnS2 2D apresenta maior atividade em comparação com o SnS2 em massa.
Os cálculos fornecem informações adicionais sobre as reações químicas que ocorrem. Em particular, a formação de ácido fórmico foi identificada como uma rota de reação energeticamente favorável quando o SnS2 bidimensional é usado como catalisador.
As descobertas de Takahashi e seus colegas representam um passo importante rumo ao uso de eletrocatalisadores bidimensionais em aplicações de redução eletroquímica de CO2. Os cientistas afirmam: “Esses resultados proporcionarão uma melhor compreensão e desenvolvimento de uma estratégia de eletrocatálise bidimensional com dicálcogenetos metálicos para a redução eletroquímica de dióxido de carbono, produzindo hidrocarbonetos, álcoois, ácidos graxos e alcenos sem produtos colaterais.”
Folhas bidimensionais (2D) (ou monocamadas) de dicalcogenetos metálicos são materiais do tipo MX₂, onde M é um átomo metálico, como molibdênio (Mo) ou estanho (Sn), e X é um átomo de calcogênio, como enxofre (C). A estrutura pode ser expressa como uma camada de átomos X sobre uma camada de átomos M, que por sua vez está localizada sobre uma camada de átomos X. Os dicalcogenetos metálicos bidimensionais pertencem a uma classe de materiais chamados bidimensionais (que também inclui o grafeno), o que significa que são finos. Materiais 2D frequentemente apresentam propriedades físicas diferentes de suas contrapartes tridimensionais (3D).
Os dicálcogenetos metálicos bidimensionais têm sido investigados por sua atividade eletrocatalítica na reação de evolução de hidrogênio (HER), um processo químico que produz hidrogênio. Mas agora, Yasufumi Takahashi e seus colegas da Universidade de Kanazawa descobriram que o dicálcogeneto metálico bidimensional SnS2 não apresenta atividade catalítica para a HER; essa é uma propriedade extremamente importante no contexto estratégico da pesquisa.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta and Yasufumi Takahashi. Placa 1T/1H-SnS2 para transferência eletroquímica de CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Título: Experimentos de varredura em microscopia eletroquímica de células para estudar a atividade catalítica de folhas de SnS2 na redução das emissões de CO2.
O Instituto de Nanobiologia da Universidade de Kanazawa (NanoLSI) foi fundado em 2017 como parte do programa do MEXT, o principal centro de pesquisa internacional do mundo. O objetivo do programa é criar um centro de pesquisa de classe mundial. Combinando o conhecimento mais importante em microscopia de varredura por sonda biológica, o NanoLSI estabelece a "tecnologia de nanoendoscopia" para imageamento, análise e manipulação direta de biomoléculas, visando obter informações sobre os mecanismos que controlam fenômenos vitais, como doenças.
Como uma das principais universidades de ensino geral na costa do Mar do Japão, a Universidade de Kanazawa tem dado grandes contribuições para o ensino superior e a pesquisa acadêmica no Japão desde sua fundação em 1949. A universidade possui três faculdades e 17 escolas que oferecem disciplinas como medicina, computação e humanidades.
A universidade está localizada em Kanazawa, uma cidade famosa por sua história e cultura, na costa do Mar do Japão. Desde a era feudal (1598-1867), Kanazawa desfruta de um prestígio intelectual influente. A Universidade de Kanazawa está dividida em dois campi principais, Kakuma e Takaramachi, e possui cerca de 10.200 alunos, dos quais 600 são estudantes internacionais.
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