Platin Bilmecesi
Platin önemli bir katalizör. Ancak şimdiye dek, kimse tek platin atomlarının kataliz sırasında nasıl davrandığını bilmiyordu.
Bir kedi ayçiçeğine tırmandığında ne olur? Ayçiçeği dengeli değildir, hemen bükülür ve kedi yere düşer. Bununla birlikte, eğer kedinin oradan bir kuşu yakalamak için sadece hızlı bir destek almaya ihtiyacı varsa, o zaman ayçiçeği “meta kararlı bir ara adım” olarak hareket edebilir. Bu, aslında bir katalizörün tek atomlarının, onları kimyasal olarak dönüştürmek için molekülleri yakaladığı mekanizmadır.
Birkaç yıl önce, Viyana Teknoloji Üniversitesi yüzey fiziği grubu, platin “tek atomlu” katalizörlerin, teorik modellerine göre, mümkün olmaması gereken sıcaklıklarda karbon monoksiti oksitleyebileceğini keşfetti. Şimdi, atomik ölçekli mikroskop görüntüleri ve karmaşık bilgisayar simülasyonlarının yardımı ile hem katalizörün kendisinin hem de üzerine bağlandığı malzemenin, tepkimeye izin vermek için kısa bir süre için, enerji açısından elverişsiz olan özel durumlarda “meta kararlı” hale geçebildiği gösterildi. Sonuçlar Science Advances dergisinde yayımlandı.
Katalizör Olarak Tek Atomlar
TU Wien’deki Uygulamalı Fizik Enstitüsünden Prof. Gareth Parkinson’un araştırma ekibi, mümkün olan en küçük katalizörü, yani demir oksit yüzeyindeki tek platin atomlarını inceliyor. Daha sonrasında, modern araba egzozlarında olduğu gibi karbon monoksit gazının karbondioksite dönüşümü ile karşılaşıyorlar.
Gareth Parkinson “Bu proses teknik olarak çok önemli ancak katalizörün boyutu tek atom sınırına indirgendiğinde neler olduğu şu ana kadar bilinmiyordu” şeklinde açıkladı. “Araştırma ekibimizde, bu şekildeki prosesleri birçok yol ile inceliyoruz: her bir atomun hareketinin görüntüsünü yüksek çözünürlükte elde etmek için, bir taramalı tünelleme mikroskobu kullanıyoruz. Ayrıca tepkime prosesini spektroskopi ve bilgisayar simülasyonları ile analiz ediyoruz.”
Platin atomlarının katalizör olarak aktif olup olmadığı sıcaklığa bağlı. Deneyde, katalizör kritik sıcaklığa ulaşıldığında bile yavaşça ısıtıldı ve karbonmonoksit karbondioksite dönüştü. Eşik değeri 550 Kelvin civarında. Mevcut yayının baş yazarı Matthias Meier “Ancak bu bizim bilgisayar simülasyonlarımıza uygun değildi” şeklinde açıkladı. “Benzer hesaplamalarda kullanılan yoğunluk fonksiyonel teorisinde göre, proses sadece 800 Kelvinde gerçekleşebilirdi. İşte o an anladık ki: Önemli bir nokta şimdiye kadar hep göz ardı edilmişti.”
Meta kararlı Hal: Kısa Süreli ancak Önemli
Ekip, yıllar boyunca aynı malzemelerin diğer tepkimeleri ile ilgili birçok tecrübe kazandı ve sonuç olarak, yeni bir resim adım adım oluştu. Matthias Meier “Normalde en düşük enerjiye sahip sistemin halini yoğunluk fonksiyonel teorisi ile hesaplarsınız” şeklinde açıkladı. “Bu mantıklı bir yaklaşım çünkü, bu hal sistemin genel olarak sahip olduğu haldir. Ancak bizim konumuzda, ana rolde ikinci bir hal var: meta kararlı hal”
Hem platin atomları hem de demir oksit yüzeyi farklı kuantum halleri arasında gidip gelebilir. En düşük enerjiye sahip temel hal, kararlıdır. Sistem meta kararlı hale geçtiğinde, temel hale aynı bir kedinin dengesiz tırmanma çubuğunun üstüne çıkması gibi kısa bir süre içinde geri döner. Ancak karbon monoksitin katalitik dönüşümü için meta kararlı çok kısa bir süre yeterli: Aynı kedinin patisiyle kuşu yakalamak için kısa süreli dengesiz tırmanma aşamasının yeterli olduğu gibi, katalizör karbonmonoksiti meta kararlı halde dönüştürebilir.
Karbonmonoksit ile ilk karşılaştıklarında platin atomları birbirlerine eklenerek dimerler oluştururlar. Sıcaklık yeterince yüksek olduğunda, yüzey oksijen atomlarının daha zayıf bağlı olduğu yüzeyde, dimerler daha önce elverişli olmayan bir konuma hareket edebilir. Meta kararlı halde, demir oksit atomik yapısının kesinliğini değiştirerek, karbonmonoksitin, karbondioksiti oluşturmak için ihtiyacı olan oksijeni verir ve oksijen hemen giderek kataliz prosesini tamamlar. Matthias Meier “Eğer bilgisayar simülasyonlarımıza bu kısa süreli halleri eklersek, deneyde ölçtüğümüz sonuçların aynısını alırız” şeklinde açıkladı.
Gareth Parkinson “Araştırma sonuçlarımız yüzey fiziğinde genellikle çok fazla tecrübeye ihtiyacımız olduğunu gösteriyor” şeklinde açıkladı. “Eğer yıllar boyunca çok fazla kimyasal prosesi incelemeseydik, bilmeceyi muhtemelen çözemeyecektik” Yakın zamanda, yapay zeka da kuantum kimyasal proseslerinde analiz için başarılı bir şekilde kullanıldı. Ancak Parkinson, bu konuda başarılı olamayacağından emin. Daha önce çözülmesi mümkün olmayan problemleri çözmek için yaratıcı düşünceler gerekli, büyük ihtimalle insanlara hala ihtiyacımız var.
Kaynak: sciencedaily.com
