Forskere sætter et nyt spin på molekylær oxygen

(a-c) AFM-billeder før (a) og efter (b) KPFS-manipulation af O _annonce ²⁻ −O _annonce ²⁻ med spidsen placeret symmetrisk i midten og de tilsvarende linjeprofiler (c). Det dobbelte lyspunkt blev til et enkelt, indikerer dannelse af en oxygenmolekylær art, O ₂ ²⁻ . (d-f) AFM-billeder før (d) og efter (e) KPFS-manipulation af O _annonce ²⁻ −O _annonce ²⁻ med spidsen placeret lidt væk fra midterpositionen mellem de to atomer og de tilsvarende linjeprofiler (f). (g−i) AFM-billeder før (g) og efter (h) KPFS-manipulation af O _annonce ²⁻ −O _annonce ²⁻ med spidsen placeret over ét oxygenatom og de tilsvarende linjeprofiler (i), hvilket indikerer en ændring i ladningstilstanden fra Oad2− til Oad − for kun iltatomet, der er under spidsen. (j−m) DFT-optimerede strukturer er vist i hvert tilfælde:(j) O _annonce ²⁻ −O _annonce ²⁻ ; (k) O _annonce ²⁻ −O _annonce ⁻ ; (l) O _annonce ⁻ −O _annonce ⁻ ; og (m) O ₂ ²⁻ adsorberet på toppen Ti _5c websted. Bemærk, at der også er et andet adsorptionssted, bropladsen, se SI, afsnit S9. Stiplede vandrette linjer viser højdeforskellene på oxygenatomerne. (EN), (B), og (C) angive de tre centrale manipulationsscenarier, se tekst.

Mens det lyder svært at fastholde et enkelt iltatom, at prøve at manipulere elektroner forbundet med det enkelte atom for at ændre dets ladning, lyder fuldstændig umuligt. Imidlertid, for første gang, denne præstation er blevet rapporteret af et internationalt forskerhold ledet af Osaka University.

Sammen med samarbejdspartnere fra Slovakiet og Storbritannien, kandidatstuderende Yuuki Adachi fra Osaka University's Department of Applied Physics har for nylig offentliggjort denne forskning i ACS Nano .

Ilt er et af de mest udbredte grundstoffer på Jorden. Findes normalt i sin diatomiske form, O ₂ , ilt er meget reaktivt og hænger ikke længe i gasform. Grundtilstanden, eller mindst reaktiv form for oxygen, omtales som triplet oxygen, fordi det har tre mulige arrangementer af elektronspin. Imidlertid, singlet ilt, med dets ene mulige spin-arrangement, er mere reaktiv og spiller en stor rolle i en bred vifte af kemiske reaktioner, lige fra produktion af grønt brændstof til fotodynamiske kræftbehandlinger.

Ikke overraskende da der er betydelig interesse i at kontrollere dannelsen og aktiveringen af molekylært oxygen.

"Vi brugte Kelvin-sondekraftspektroskopi til at undersøge ladningstilstandene for oxygenatomer knyttet til en titaniumdioxid rutiloverflade, og derefter manipulere ladningen gennem overførsel af individuelle elektroner til og fra par af oxygenatomer, " forklarer Adachi. "Vi identificerede tre forskellige ladningstilstande blandt parrene:O ^- /O ^- , O ^2- /O ^2- , og O ^- /O ^2- . Afhængigt af den påførte spænding og hvor vi placerede spidsen af sonden i forhold til atomerne, vi kunne så reversibelt skifte ladningen mellem O ^- og O ^2- stater."

Holdet viste derefter, at de kunne bruge den samme metode til at fremkalde kontrollerede, reversibel bindingsdannelse mellem to tilstødende oxygenatomer, danner molekylært oxygen (O ₂ ).

Interessant nok, de fandt også ud af, at ladetilstanden kunne fjernstyres ved at placere spidsen et andet sted på rutiloverfladen. Elektroner blev overført til oxygenatomerne via overfladepolaroner, et fænomen, hvor elektroner kan rejse gennem et krystalgitter.

"Dette niveau af kontrol over ladetilstanden af oxygenatomer har ikke tidligere været muligt, " siger den tilsvarende forfatter til undersøgelsen lektor Yan Jun Li. "Vores arbejde giver en ny metode til at undersøge overgangsmetal-oxid-baserede katalytiske reaktioner, og kan sandsynligvis anvendes på andre atomer, og måske andre overflader, hvor kontrollerede kemiske reaktioner initieret af ladningsmanipulation udføres."

Sidste artikelMod et bedre batteri:Forskere afslører kilde til nedbrydning i natriumbatterier

Næste artikelKrystallinske kunstige muskler får papirdukke til at gøre sit-ups