Bilim İnsanları Enerji Üretimi için Kararlı Katalizörler Geliştirdiler
Hidrojen üretimi veya karbon yakalama gibi önemli yeni teknolojiler yeni katalizörler gerektirir. Deneyler önemli olanın sadece malzeme değil, aynı zamanda atomik yüzey yapısı olduğunu gösteriyor.
CO2‘den bağımsız bir ekonomiye giderken, hidrojenin sudan, yakıt hücrelerinden veya karbon yakalamasından elektrokimyasal olarak çıkarılması da dahil olmak üzere tüm teknolojileri mükemmelleştirmemiz gerekir. Tüm bu teknolojilerin tek bir ortak noktası vardır o da sadece uygun katalizörler kullanılırsa çalışırlar. Bu nedenle araştırmacılar yıllardır bu amaç için hangi malzemelerin en uygun olduğunu araştırmaktadır.
Wiener Neustadt’taki Viyana Teknik Üniversitesinde ve Elektrokimya ve Yüzey Teknolojisi Merkezinde (Centre for Electrochemistry and Surface Technology – CEST) bu tür araştırmalar için benzersiz bir araştırma yöntemi kombinasyonu mevcuttur. Bilim insanlarına göre mükemmel katalizörü aramak sadece doğru malzemeyi bulmak ile ilgili değil, aynı zamanda yönelimi ile de ilgilidir. Bir kristalin kesildiği yöne ve böylece yüzeyinde dış dünyaya sunduğu atomlara bağlı olarak, davranışı çarpıcı biçimde değişebilir.
Verimlilik veya Stabilite
Viyana Teknik Üniversitesi Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden (IAP) Prof. Markus Valtiner, “Elektrokimyadaki birçok önemli süreç için değerli metaller – genellikle iridyum oksit veya platin parçacıklar gibi – katalizörler olarak kullanılır” dedi. Çoğu durumda bunlar özellikle yüksek verimliliğe sahip katalizörlerdir. Bununla birlikte, dikkate alınması gereken diğer önemli noktalar da katalizörün kararlılığı, malzemelerin kullanılabilirliği ve geri dönüştürülebilirliğidir. En verimli katalizör malzemesi nadir bulunan bir metal ise çok az kullanılır ve kısa bir süre sonra çözünür, kimyasal değişikliklerden geçer veya başka nedenlerle kullanılamaz hale gelir.
Bu nedenle, daha az etkili olsalar bile çinko oksit gibi daha sürdürülebilir olan katalizörler ilgi çekicidir. Farklı ölçüm yöntemlerini birleştirerek, katalizör kristallerinin yüzeyinin atomik ölçekte nasıl yapılandırıldığı incelenerek bu tür katalizörlerin etkinliğinin ve kararlılığının önemli ölçüde artırılabildiğini göstermek mümkündür.
Her Şey Yöne Bağlı
Kristallerin farklı yüzeyleri olabilir. Markus Valtiner “İkiye kestiğimiz küp şeklinde bir kristal düşünelim. İki küp oluşturmak için küpü ortadan doğruca kesebiliriz. Ya da 45 derecelik açıyla tam olarak diyagonal olarak kesebiliriz. Bu iki durumda elde ettiğimiz kesme yüzeyleri farklıdır: Farklı atomlar, kesim yüzeyinde birbirinden farklı mesafelerde bulunur. Bu nedenle, bu yüzeyler kimyasal proseslerde de çok farklı davranabilir” dedi.
Çinko oksit kristalleri küp şeklinde değil, petek benzeri altıgenler şeklinde de kullanılır; ancak aynı prensip burada da geçerlidir, yani özellikleri atomların yüzey üzerindeki yerleşimine bağlıdır. Çinko oksit kristalleri küp şeklinde değildir, ancak petek benzeri altıgenler oluştururlar. Markus Valtiner, “Tam olarak doğru yüzey açısını seçerseniz, burada sadece birkaç atomluk bir çapa sahip mikroskobik olarak küçük üçgen delikler oluşur. Hidrojen atomları oraya bağlanabilir, suyun bölünmesini destekleyen kimyasal işlemler gerçekleşir, aynı zamanda malzemenin kendisini stabilize eder” dedi.
Araştırma ekibi, bu stabilizasyonu ilk kez kanıtlayabildi. Markus Valtiner “Katalizör yüzeyinde su, hidrojen ve oksijene ayrılır. Bu işlem devam ederken sıvı numuneler alabilir ve eser miktarda katalizör içerip içermediklerini inceleyebiliriz” dedi. “Bunun için önce sıvının bir plazmada güçlü bir şekilde ısıtılması ve ayrı atomlar halinde parçalanması gerekir. Ardından bu atomlar bir kütle spektrometresinde ayrılıp elementler halinde sıralanır. Eğer katalizör kararlıysa, katalizör materyalinden neredeyse hiç atom bulmamalıyız. Gerçekten de, hidrojen üretildiğinde atomik üçgen yapılarında herhangi bir ayrışma tespit edemedik” dedi. Bu dengeleyici etki şaşırtıcı derecede güçlüdür. Ekip artık çinko oksiti daha da verimli hale getirmek ve stabilizasyonun fiziksel ilkesini diğer malzemelere aktarmak için çalışmaktadır.
Enerji Sistemi Dönüşümü İçin Benzersiz Araştırma Fırsatları
Viyana Teknik Üniversitesinde atomik yüzey yapıları yıllardır incelenmiştir. Markus Valtiner, “Enstitümüzde, bu üçgen yapılar ilk olarak yıllar önce sergilendi ve teorik olarak açıklandı. Elektrokimya için önemini yine ilk biz gösteriyoruz. Bunun nedeni, numune hazırlamadan süper bilgisayarlarda simülasyona, ultra yüksek vakumdaki mikroskobundan gerçekçi ortamlarda pratik testlere kadar gerekli tüm araştırma adımlarını tek bir çatı altında birleştirebilme gibi benzersiz bir durumda olmamızdır” dedi.
Uygulamalı Fizik Enstitüsü öğrencisi Carina Brunnhofer, “Farklı uzmanlık alanlarının tek bir çatı altında işbirliği benzersizdir ve bu alanda araştırma ve öğretimde küresel bir lider olmak bizim için büyük bir avantajdır” diyor.
Yakın tarihte yayınlanan çalışmanın ilk yazarı Dominik Dworschak, “Önümüzdeki on yıl içinde, metodolojik gelişmelere ve yüzey kimyası ve fizik anlayışına dayalı olarak suyu bileşenlerine ayırmak ve CO2 salımını azaltmak için istikrarlı ve ticari açıdan uygun sistemler geliştireceğiz” dedi. Markus Valtiner, “Ancak en azından mevcut güç çıkışının sürdürülebilir bir şekilde ikiye katlanması paralel olarak sağlanmalıdır. Bu nedenle, iklim hedeflerimize ancak tutarlı, sektörler arası araştırma ve geliştirme yoluyla ulaşabileceğimiz heyecan verici bir yoldayız” dedi.
Kaynak : chemeurope.com
