Performansı İyileştirmek ve Kaynakları Korumak için Atom Kümeli Soy Metal Katalizörlerin Optimizasyonu
Fotoğraf: İnaktif tek atom(sol) ve aktif kümelerle (sağ: soy metal:beyaz, taşıyıcı metal:sarı, oksijen:kırmızı) bir soy metal katalizörün temsilli olarak şematik gösterimi
Optimize Edilmiş Atomların Dağılımı Sayesinde Düşük Maliyetli Üretim
Soy metal katalizörleri milyarlarcası kimyasalların üretimi, enerji üretimi ya da havayı temizleme için dünya genelinde kullanılır. Bununla beraber kaynaklar; bu amaç için gerekli olan kaynaklar pahalıdır ve kullanılabilirlikleri sınırlıdır. Kullanılan kaynakları optimize etmek için, tek metal atomuna dayalı katalizörler geliştirilmiştir. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden bir araştırma ekibi, belirli koşullar altında kümeler oluşturmak için soy metal atomlarının bir araya gelebileceğini gösterdi. Bu kümeler tek atomlara göre daha reaktif ve dolayısıyla kirli gazlar çok daha iyi uzaklaştırılabilir. Sonuçlar; “Nature Catalysis”e rapor edildi.
Soy metal katalizörler çeşitli reaksiyonlar için kullanılır. Diğerlerinin yanı sıra, soy metal katalizörler; kirleten emisyonları azaltmak için neredeyse tüm yanma süreçlerinde kullanıldı. Genel olarak, bir taşıyıcı malzeme kullanılan soy metal gibi aktif bileşenlerin çok küçük parçacıklardan oluşuyor. Bu sözde nanopartiküller, birbirinden farklı binlerce metal atomundan oluşmuştur. KIT Kimyasal Teknoloji ve Polimer Kimyası Enstitüsü’nden Prof. Jan-Dierk Grunwaldt ” Çoğu atom kullanılmazken, reaksiyonda sadece yüzeydeki atomlar aktiftir.” diyerek açıklamada bulundu. Çalışma koşullarını değiştirerek, böyle bir katalizörün yapısı ve dolayısıyla aktivitesi değiştirilebilir. Grunwaldt; “Bir otomobilin egzos çıkış gazı sisteminde; otoyolda daha uzun sürüşlerde örneğin; soy metal ve taşıyıcı metal arasındaki etkileşimde ulaşılan yüksek sıcaklıklarda, taşıyıcı üzerinde ayrılan metal atomları gibi tek atomların oluşumuna sebep olur. Tek atom katalizörler, soy metal bileşenlerin çok yüksek tüketim hızına ulaşabileceği beklenebilir. Çünkü tüm atomlar, reaksiyona teorik olarak katılır.” diyor. Beklenilenin aksine, ne yazık ki, Grunwaldt’ın ekibi, Christof Wöll ve Felix Studt, reaksiyon koşulları altında aktif olmak için soy metal kümelerinin ilk olarak oluşturmanın gerektiğini buldu.
Araştırmacılar, özellikle tek atom formasyonunu indükledi ve reaksiyon boyunca tek atom yapısını derinlemesine inceledi. Teorik hesaplamalar ve iyi özellikli spektroskopi yardımıyla, araştırma ekibi platin atomunun çoğunlukla düşük aktiviteye sahip olmasını açıklamada başarılı oldu. Çalışmanın baş yazarlarından birisi olan ITCP’den Florian Maurer ” Kirleticileri dönüştürmek için, katalizörde oksijenle reaksiyon vermesi gerekiyor. Bunun için iki bileşen aynı zamanda ve aynı yerde ulaşılabilir olmalı, izole edilmiş platin atomları için erişilemez, gerekli reaksiyon için oksijen; – seryum oksit durumunda- taşıyıcı bileşene çok güçlü bir halde bağlanır.” “Platin-seryum oksit bağı kopmasından sonra, platin atomları taşıyıcı yüzey üzerinden hareket edebilir. Bir sonraki adımda bu platin atomları; tek atomdan daha hızlı meydana gelen reaksiyonda küçük platin kümeleri şekillenir.” diye açıklama yapıyor.
Yüksek Aktivite İçin Kümeler Optimal Yapıya Sahip
Ekibin çalışması ile, nano partiküllerin ya da en yüksek aktiviteye ulaşan izole atomları denemiştir. Grunwaldt ” Optimum, ikisi arasında yalandır. Optimuma küçük soy metal kümeleri tarafından ulaşıldı. Bu soy metal kümelerini dengeleme, katalizörlerin üretiminde soy metallerin tüketimini önemli miktarda azaltmak için anahtar olabilir. Yıllardır, soy metal bileşenlerin artan biçimde dağılımı yeni katalizörlerin tasarımında ana stratejilerden biridir. Deneylerimiz, atomik oranda şuan ki sınırları ortaya çıkardı. “diye açıklamada bulundu. Çalışmanın sonuçları; bilgiye dayalı tasarım için kullanılacak, uzun süreli aktivite ve gelişmiş kararlılığa sahip olan katalizörleri geliştirecek. Bu; çalışmanın ortak yazarı olan Dr.Maria Casapu, KIT Karlsruhe Kirli Gaz Merkezi’nin çalışmalarının büyük oranda odak noktası olacak.
Kaynak: scitechdaily.com
