Suyun Hidrojen ve Oksijene Kararlı ve Aktif Bir Şekilde Bölünmesi için Bulunan Katalitik Dengeleme İşlemi
Fotoğraf: Argonne Ulusal Laboratuvarı bilim insanları ve çalışma arkadaşları, suyu bölmek için tasarlanmış yeni bir katalizörde etkinlik, kararlılık ve iletkenlik olmak üzere üç önemli faktörü dengelemek için yeni ve karşıtlıktan uzak bir yaklaşımı kullandı.
Denge, mutlu bir yaşamın veya sağlıklı bir diyetin temelini oluşturur. Yenilenebilir enerji elde etmek adına yeni katalizörler tasarlayan bilim adamları için farklı malzemelerin ve özelliklerinin dengelenmesi de eşit derecede önemlidir. (Katalizörler kimyasal reaksiyonları hızlandırmaya yardımcı olur.)
Yapılan yeni bir çalışmada, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı, Johns Hopkins Üniversitesi, Drexel Üniversitesi ve Güney Kore’deki birçok üniversiteden araştırmacılar, yeni reaksiyonları ve karşıt yaklaşımı kullanarak suyun hidrojen ve oksijene ayrılması reaksiyonları için daha iyi bir katalizör geliştirdi. Bilim adamları, elde edilen bu hidrojeni temiz bir yakıt olarak kullanmayı planlıyorlar.
Bilim adamları önce en yoğun olan doğal elementlerden ikisinin bir alaşımını oluşturup ardından bir tanesini çıkarttılar. Daha sonra geri kalan maddenin yapısını yeniden şekillendirdiler böylece kimyasal reaksiyonlar için önemli olan üç faktör dengelendi: etkinlik, kararlılık ve iletkenlik.
Argonne laboratuvarı materyal bilimcisi ve araştırmacı yazarı Nenad Markoviç, “Enerji dönüşümü veya depolaması için iyi çalışan bir materyal bulmak, mutlu bir evlilik oluşturmak gibidir” dedi. “Bizim durumumuzda, iki farklı malzeme arasındaki dinamik bir ortaklığın, birbiriyle yarışan endişeleri birleştirip bütün oluşturmada bize yardımcı olduğunu bulduk.”
Yeni katalizörleri arayan bilim adamları, katalizörün su bölme reaksiyonlarındaki etkinliğini ve yüzeydeki aktif yerlerin dayanıklılığını en üst düzeye çıkarması için doğru elementleri veya elementlerin kombinasyonlarını bulmak için periyodik tabloyu köşe bucak değerlendirdiler. Ancak kararlı ve aktif olan malzemeleri bulmak oldukça zordur.
Markoviç, “Daha aktif katalizörler daha az kararlı olma eğilimindedir. İki kere aynı şekilde çalışıyormuş gibi görünenler aslında sadece yarı yarıya çalışıyor. Aktif katalizörlerin tasarlanmasının yeterli olmadığı açıkça belli oluyor, sadece aktif değil kararlı malzemeler de olması gerekiyor.” dedi.
Markoviç ve arkadaşları, yeni katalizör için meteorlarla en sık bağlantılı olan iridyum elementine odaklandılar. İnce bir film olarak, iridyum katalitik olarak aktiftir ancak zamanla elektrolit ortamıyla reaksiyona girdiği için iridyum atomları oksitlenir. Bu süreç boyunca, bazıları katalizörün yüzeyini korozyona uğratır ve performansı gittikçe bozulur.
Araştırma ekibi, iridyum yapısını yeniden yapılandırarak oksidasyonu önlemeye çalıştı. Aynı zamanda iridyumun kararlı ve aktif olmasına yardımcı olmak için periyodik tablodaki komşusu osmiyum ile alaşımını oluşturdular.
İridyumun aksine osmiyum katalitik olarak aktif veya kararlı değildir, fakat önemli bir fayda sağlamaktadır. Araştırmacılar osmiyum ve iridyumu birlikte alaşımladıktan bir süre sonra, alaşım formunu ortadan kaldırıp sadece yeniden yapılandırılmış üç boyutlu iridyum nanogözenekli yapısını geride bıraktılar.
Markoviç, “Osmiyum olmadan, iridyum bu duruma asla ulaşamayacak. Aktif ve kararlı bir iridyum formunu elde etmek için osmiyumu ekleyip çıkartmamız gerekiyordu.” dedi.
Markoviç her nanogözeneğin gelişmiş katalitik kararlılığını arttırmasını gözenek içindeki elektrolit hacminin iridyum iyonlarıyla hızlı bir şekilde doymuş olmasından kaynaklandığını söyledi. Böylece yüzey atomlarının, bir çay fincanı suyun şeker ile doymuşluğunun bir sürahi suyun doymuşluğundan daha kolay olmasıyla aynı şekilde çözülmeyi durdurduğunu ifade etti.
Nanogözeneklerin yapısı kararlı ve aktif bir katalizör gereksinimini ele alırken, iridyumun yeniden yapılandırılmasının bir başka getirisi de maddenin elektron iletkenliğini artırması oldu. Çalışma koşulları altında, gözenekli katalizör oldukça iletken iridyum metal iç kısmının etrafında daha az iletken iridyum oksitten oluşan eşsiz bir kabuk oluşturuyor. Bu şekilde, elektronlar su molekülünün su parçalanma reaksiyonunun başlatıcı olmak için bekledikleri yüzeye birçok katalizörden daha kolayca geçebilir.
Markoviç, “Aslında, elektronları yan yollara sapmasından ziyade ’otoban’ üzerinden göndermek için bir yol bulmaya çalışıyoruz. Bu çekirdek-kabuk konfigürasyonu bunu yapmamızı sağlıyor.” dedi.
Kaynak : phys.org
