Katalizörlerin Yüzeyindeki Kusurlar Etkinliklerini Belirler
Fotoğraf : Bir katalizör yüzeyinde atomik basamak modeli. Kobalt katalizör üzerindeki bu tür bölgelerde, dizel yakıtlardaki endüstriyel Fischer-Tropsch sentezi gerçekleşir.
Kimyasal üretim, egzoz gazı arıtma ve güneş enerjisinin kimyasal depolanması dahil olmak üzere pek çok teknik işlemin gerçekleşmesi katalizör olmadan mümkün değildir. Kimya endüstrisinde üretilen ürünlerin büyük çoğunluğu en az bir heterojen katalizörle temas eder.
Bu katalizörler, yüzeyleri gaz halinde olan maddelerin adsorbe ederek reaksiyona girdiği katı maddelerdir. Katalizör, kendisini değiştirmeden ürünü üretmek için reaksiyonlarını etkinleştirir veya hızlandırır.
Bu sürecin gerçekte tam olarak nerede gerçekleştiği gibi pek çok cevaplanmamış soru var. Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi Kimya Bölümü’nden Profesör Joost Wintterlin önderliğindeki bilim insanları, katalizör yüzeyindeki basamakların çok önemli bir rolü olduğunu gösterdiler ve sonuçlarını “Nature Catalysis” dergisinde rapor ettiler.
Heterojen katalizörlü -tepkime karışımında ikinci bir faz olarak bulunan- reaksiyonların çoğunda, katalizör yüzeyinin tamamının aktif olmadığı, pürüzsüz yüzeyler yerine sadece katalizör partiküllerinin köşeleri ve kenarları gibi kusurlu alanlarda aktif olduğu konusunda dolaylı kanıtlar mevcut. Wintterlin “Ancak bu alanların gerçekten aktif merkezler olup olmadığını doğrudan göstermek henüz mümkün olmamıştır, çünkü birkaç bar gaz basıncı ve yüksek sıcaklık koşulları altında yüzeyde gerçekleşen kimyasal işlemleri analiz etmek çok zordur.” dedi.
Bir süredir Wintterlin ve ekibi, endüstrideki uygulamalara yakın koşullar altında yüzeylerdeki katalitik reaksiyonların incelenebildiği özel bir tarama tünelleme mikroskobunun (STM) geliştirilmesinde çalışmakta. Bilim adamları, genellikle sadece birkaç nanometre boyutunda olan katalizör parçacıkları yerine birkaç milimetre büyüklüğünde kristalleri kullanırlar. Son yayınlanan bu çalışmada, aynı koşullar altında aynı numunede katalitik reaksiyon ürünlerinin oluşumu da bilim adamları tarafından belirlendi.
“Mikroskop altında gösterilen yüzeyin yapısal elemanları ile katalitik aktivite arasındaki korelasyonu tespit etmenin tek yolu budur. Fakat bu kombinasyon, deneyi özellikle zorlaştırmakta” dedi Wintterlin. Son derece düşük ürün konsantrasyonlarının tespit edilebildiği özel olarak geliştirilmiş bir gaz kromatografisi sonunda başarıyla sonuçlandı.
Bilim adamları, sentetik dizel gibi sıvı hidrokarbonların kobalt katalizör üzerindeki sentez gazından üretildiği büyük ölçekli bir işlem olan Fischer-Tropsch sentezini analizlerine örnek olarak seçtiler. Bu sistem için bilim adamları, katalizör olarak kullanılan kobalt kristalinin yüzeyindeki atomik basamakların artması ile birlikte numunenin katalitik aktivitesinin arttığını gösterebildiler. Bu basamaklar yüzeydeki kristalin atomik katmanlarının eksik olmasından kaynaklanır. Bir katmanın bittiği noktada, bir sonraki katmana bir basamak yaratılır.
Bu basamaklar, bir endüstriyel katalizör olan küçük kobalt partiküllerinin yüzeylerinde de mevcuttur ve aktivitesi model katalizörün verileriyle kantitatif olarak tahmin edilebilir. Wintterlin,” bu, atomik basamakların katalizörün aktif merkezleri olduğunun ilk doğrudan kanıtıdır ” dedi.
Bilim adamları, bu sonuçların daha etkili katalizörlerin geliştirilmesine katkıda bulunabileceğini umuyorlar.
Kaynak : phys.org
