Temiz Hidrojen Üretiminde Platin Katalizörünün Yeni Rolü

ABD Enerji Bakanlığı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı, Stony Brook Üniversitesindeki bilim insanları, ve diğer katkı sağlayan enstitüler, önemli bir platin bazlı katalizörün su gaz değişimi reaksiyonunda nasıl çalıştığına dair dinamik, atomik düzeyde ayrıntıları ortaya çıkardı. Bu reaksiyon, birçok uygulamada, yakıt hücreli araçlarda temiz yakıt olarak kullanılan da dahil olmak üzere, hidrokarbon üretiminde kullanılan, hidrojenin üretilmesi ve saflaştırılmasında önemli bir adımdır. Karbonmonoksit ve su karbondioksit ve hidrojen gazına dönüşür.

Platin nadir ve pahalı olduğundan, bilim insanları bu değerli metalden daha az kullanılan bir katalizör yaratma yollarını aramaktaydı. Bunun için platinin tam olarak ne yaptığını anlamak önemli bir adımdır.

Nature Communications dergisinde yayımlanan bu yeni çalışma, katalizörün aktif bölgesindeki atomları tanımlayarak, katalizörün nasıl çalıştığına ait önceki çelişkili raporları çözüyor. Deneyler sadece belirli platin atomlarının kimyasal dönüşümde önemli bir rol oynadığına dair kesin kanıt sağlıyor.

Brookhaven Laboratuvarı Kimya Bölümü misafiri ve Brookhaven / Stony Brook Üniversitesi (SBU) ortak atanan Anatoly Frenkel’in rehberliğinde çalışan SBU’nun malzeme bilimi ve Kimya Mühendisliği bölümünde araştırma bilimcisi olan baş yazar Yuanyuan Li “Mücadelenin bir kısmı kompleks bir yapı olan katalizörün kendisiydi” şeklinde açıkladı.

Li, “Katalizör seryum oksit yüzeyinde oturan platin nanoparçacıklarından yapıldı. Bazı platin atomları nanoparçacığın yüzeyindeydi, bazıları merkezinde; bazıları seryum oksit ile arayüzeyde, bazıları çevredeki -köşelerin sonundaki- arayüzeydeydi.” dedi. “Bu pozisyonlar ve parçacıkları yüzeye nasıl koyduğunuz, hangi atomların destekleneceği veya gaz molekülleri ile etkileşime gireceğini etkileyebilir, çünkü bazıları açıkta bazıları ise açıkta değildir.”

Önceki deneyler reaksiyonların nanoparçacıklarda ya da tek izole edilmiş platin atomlarında mı meydana geldiğine ve aktif tarafların pozitif ya da negatif yüklü, veya nötr olup olmadığı hakkında çelişkili sonuçlar üretmiştir.

Seryum oksit desteğinin, platini katalitik aktivite için nasıl aktifleştirdiği ve etkileşime girdiğine dair ayrıntılar da belirsizdi.

Li, bu soruları ele almak istediklerini belirterek, “Aktif bölgeyi tanımlamak ve gerçekte bu yüzde neler olduğunu belirlemek için, bu tip katalizörleri atom seviyesinde incelemek daha iyi olacaktır.” şeklinde ekledi.

Brookhaven İşlevsel Nanomalzemeler Merkezi’nden (CFN) bilim insanlarını ve İsveç’teki diğer kurumları içeren ekip, katalizörü atomik seviyede inceleyebilmek için bir dizi teknik kullandı. Katalizörü reaksiyon koşulları altında incelediler ve beklenmedik bir şekilde, reaksiyon koşullarında katalizörler aktif duruma geldiğinde meydana gelen özel bir etkiyi yakaladılar.

Frenkel, “Katılımcılarımız tarafından yapılan elektron mikroskobu deneyinde, parçacıkların çevresindeki platin atomları -kalan atomlar daha durgunken- odak içinde ve dışında ‘dans ediyorlardı’.” şeklinde açıkladı. Reaktiflerin bir kısmı (karbonmonoksit ve su), reaksiyona giren molekül akışından çıkarıldığında bu tür bir dinamik davranış gözlenmedi.

Li, “Nanoparçacıklar ve seryum oksit desteği arasındaki arayüzün, sadece çevresindeki platin atomlarına katalitik aktivite sağladığını bulduk” şeklinde açıkladı. “Çevredeki alanın sağladığı dinamik özellikler karbon monoksitin sudan oksijen almasıyla karbondioksite dönüşmesine olanak sağlıyor ve su oksijen kaybederek hidrojene dönüşüyor”

Bilim insanları şu an hangi platin atomunun katalizde aktif rol oynadığını bildiğinden, sadece bu aktif platin atomlarını içeren katalizör tasarlayabilirler.

Li “Bütün yüzeydeki platin atomlarının çalıştığını varsayabiliriz, ancak bu doğru değil” şeklinde açıkladı. “Hepsine değil, sadece aktif olanlara ihtiyacımız var. Reaksiyona dahil olmayan atomların çıkarılması daha ucuz katalizör yapmamıza yardım edebilir”

Deneysel Detaylar

CFN ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsündeki elektron mikroskobunun “anlık görüntüleri” çevredeki platin atomlarının dinamik doğasını ortaya çıkardı. Li “Bazı görüntülerde çevre bölgesini görebilirken bazılarında göremiyorsunuz. Bu atomların çok dinamik ve yüksek mobiliteli olduğunun bir kanıtıdır.” şeklinde açıkladı.

Brookhaven Kimya Bölümü’ndeki kızılötesi (IR) spektroskopi çalışmaları, çevre bölgelerinin görünümünün seryum oksit yüzeyinde bir tür kusur olan “oksijen boşlukları” ile çakıştığını ortaya çıkardı. Bu çalışmalar aynı zamanda karbonmonoksitin, platin nanoparçacık yüzeyinden çevre atomlarına doğru göç etme eğiliminde olduğunu ve hidroksi gruplarının çevre platin atomlarının yanındaki seryum oksit desteğinde kaldığını gösterdi.

Li “Çevredeki platin atomlarının iki reaktanı, karbonmonoksit ve hidroksiti (sudan gelen) bir araya getiriyor gibi görülüyor” şeklinde açıkladı.

Kimyadaki X ışını fotoelektron spektroskopisi çalışmaları, çevre platin atomlarının da aktif hale geldiğini ortaya çıkardı. Metalik olmayan bir durumdan, hidroksit gruplarından oksijen atomlarını yakalayabilen ve bu oksijeni karbonmonoksite iletebilen metalik bir hale geldi. Li “Bu gerçekten gösteriyor ki, bu aktifleştirilmiş çevre platin bölgeleri, reaksiyonun gerçekleşmesini sağlıyor.” şeklinde açıkladı.

Son bir dizi deney -Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki gelişmiş foton kaynağında yürütülen X ışını adsorpsiyon spektroskopi çalışmaları- katalizörün dinamik yapısal değişikliklerini gösterdi.

Li “Reaksiyon koşulları altında yapının değiştiğini görüyoruz” şeklinde açıkladı.

Bu çalışmalar ayrıca platin atomları ile seryum oksit desteğindeki oksijen arasında alışılmadık derecede uzun bir bağ olduğunu ortaya çıkardı, bu da X ışınlarında gözükmeyen bir şeyin ikisi arasında yer kapladığını gösteriyor.

“Nanoparçacık ile destek arasında atomik hidrojen olduğunu düşünüyoruz. X ışınları hidrojen gibi atomları göremez. Reaksiyon koşulları altında bu atomik hidrojenler hidrojen gazına dönüşecektir.”

Dinamik değişikliklerin reaktiviteyle nasıl bağlantılı olduğuna dair yapısal özellikler ve ayrıntıları, bilim insanlarının bu özel katalizörün çalışma mekanizmasını anlamalarına ve potansiyel olarak daha düşük maliyetle daha iyi etkinliğe sahip olanları tasarlamalarına yardımcı olacaktır. Aynı teknikler, diğer katalizörleri çalışmalarına uygulanabilir.

Kaynak: sciencedaily.com