Karbondioksit (CO2) Kullanılabilir Enerjiye Dönüştürülebiliyor
Fotoğraf: Yeni katalitik malzemenin kimyasal yapısını görmek için X-Ray ışınını kullandıkları yer olan NSLS-II ışın yollu 8-ID’ de çekindikleri fotoğraf. Fotoğraftakiler Klaus Attenkofer, Dong Su, Sooyeon Hwang ve Eli Stavitski’dir.(Soldan Sağadoğru)
CO2’in kolayca kullanılabilir enerjiye dönüştürülebilmesi bir hayal. Her zaman aldığımız nefesle veya motorlu araç kullanarak yakıt üretiminin temel bileşenini yapmayı isterdik. Tıpkı bitkideki fotosentez olayı gibi biz de günlük olarak CO2’i önemli moleküllere çevirebilirdik. Şimdilerde bilim adamları buna bir adım daha yakın.
Birleşmiş Milletler Enerji Bölümü Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda ki araştırmacılar, yüksek enerjili molekül olan karbon monoksite(CO) CO2’i verimli olarak çeviren yeni bir elektro katalizör tanımladı. Buldukları veriler ‘Enerji ve Çevre Bilimi’ dergisinde 1 Şubatta yayınlandı.
Makaledeki yazarlardan biri ve Brookhaven’da bilim adamı olan Eli Stavitski “ CO’i kullanmanın birçok yolu var. Örneğin; enerji bakımından zengin hidrojen gazını üretmek için suyla CO’i tepkimeye sokabilir yada hidrojenle reaksiyonu sonucu hidrokarbon veya alkol gibi kullanışlı kimyasalları üretebilirsiniz. CO2’i CO’e çevirmek için düşük maliyetli yöntem oldukça yararlı olacaktır.
Bilim adamları CO2’i CO’e çevirmenin yolunu uzun süredir arıyor. Ama klasik elektro katalizörler reaksiyonu etkin bir şekilde başlatamıyor. Bunun sebebi, hidrojen çıkışı reaksiyonu (HER) veya suyun ayrılması da denilen rakip reaksiyonun CO2’i dönüştürme reaksiyonunun önüne geçmesidir.
Platin, altın gibi birkaç soy metal HER tepkimesini engelleyebilir ve CO2’in CO’e çevrilmesini başlatabilir. Ama bu metaller, diğerlerine oranla daha seyrek bulunur ve düşük maliyetli katalizörler karşınsında çok daha pahalıdır. Bu yüzden bilim adamları düşük maliyetle CO2’i CO’e çevirmek için katalizörü yeni bir biçimde kullandı.
Harvard Üniversitesi’nde Rowland Enstitü üyesi ve makalenin de yazarlarından olan Haotian Wang “ Yığın halinde olan nikel metali, CO2’i CO’e çevirmesi için gelecek vaat eden bir katalizör adayı olarak seçildi.” dedi.
Bu seçimin bir sebebi nikel, HER tepkimesini iyi bir biçimde gerçekleştirir ve seçimli olarak CO2’in indirgenmesini azaltır. Diğer bir sebebi de herhangi biri üretilirse onun yüzeyi CO molekülleri tarafından kolayca bozulabilir. Ama tek atomlu nikel faklı sonuçlar doğuruyor.
Stavitski “Tekli atomlar rakip HER tepkimesini gerçekleştirmekten ziyade CO’i üretmeyi tercih ediyor. Çünkü yığın metalinin yüzeyi tek atomlu metalden çok daha farklıdır.” dedi.
Tek atomun benzersiz güçlerinin olmasına ek olarak CO2 etkileşim reaksiyonuna, grafenin (karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesi) çevrelenen katmanıyla nikel atomunun etkileşimi tarafından olanak sağlandı. Grafene sabitlenen atom, katalizörün uyumlu hale getirilmesinde ve HER tepkimesinin önlenmesinde bilim adamlarına yardımcı oldu.
Atomik olarak zayıf grafen katmanı içindeki tekli nikel atomunu daha yakından incelemek için bilim adamları Brookhaven’ın Fonksiyonel Nanomateryal Merkezi’ndeki(CTN) tarayıcı ve geçirimli elektron mikroskobisini (STEM) kullandı. Numune üzerindeki elektron prob tarayıcısı yardımıyla, bilim adamları grafende ki farklı nikel atomlarını görselleştirebildi.
Makaledeki yazarlardan ve CFN’deki bilim adamlarından biri olan Sooyeon Hwang “ En gelişmiş geçirimli elektron mikroskobumuz tekli atomlar gibi aşırı küçük maddeleri görmek için mükemmel bir araçtır.” dedi.
Makalenin bir diğer yazarı olan Dong Su “ Tekli atom genellikle kararsızdır ve desteği bir araya getirmeye çalışır. Ama çevrim reaksiyonunun mükemmel bir şekilde gerçekleşmesini açıklayan homojen bir biçimde saçılmış tekli nikel atomları bulduk.” dedi.
Malzemenin kimyasal yapısını analiz etmek için bilim adamları Ulusal Senkroton Işık Kaynağı II (NSLS-II) ışın yollu 8-ID kullandı. X-ray ışını, malzemenin iç yapısının detaylandırılmış görüntüsünün elde edilmesini sağladı.
Fotonlar (ışık partikülleri) iki şeyi yapmak için nikel atomlarındaki elektronlarla reaksiyon verir. Yüksek enerji seviyelerine elektronlar gönderirler ve biz metallerin elektronik konfigürasyonunu ve kimyasal durumlarını anlarız. Fotonların enerjisini yükselttiğimiz de onlar, komşu elementlerle reaksiyon gösterir ve atomun elektronlarına karşı dururlar. Özünde bu, nikel atomunun bölgesel yapısının şeklini bilim adamlarına gösterdi.
Harvard, NSLS-II, CFN ve diğer bazı enstitülerdeki çalışmaların sonucu temel alındığında bilim adamları, verimi maksimum %97 olan tekli nikel atomuyla katalizlenmiş CO2 çevrimi reaksiyonunu keşfetti. Bilim adamları, kullanılabilir enerji ve kimyasallar için CO2’in geri çevriminde bu zamana kadar ki atılmış en büyük adımı attı.
Wang “Gelecekteki gerçek uygulamalarda bu teknolojiyi kullanmak için CO2 çevriminin kullanımı geliştirilirken ve verimliliği sürdürülürken ucuz ve büyük çaplı yöntem üretilen bu tekli atom katalizörünü seri üretmeyi hedefliyoruz.” dedi
Kaynak : phys.org
