Titanyum oksit ile ilgili önemli sorun olan “su etkileşimleri” giderildi

Ortak katalizör titanyum oksit üzerinde iniş için su geldiğinde, yarı yarıya az miktarda hidroksile bölünür. Su’nun oksijeni ve hidrojen atomları, su veya hidroksil olarak mevcut arasında ileri geri kayar ve su, son derece rekabetçi bir tenis oyunundaki skora benzer şekilde en ufak bir avantaja sahiptir.

Bir molekül su, ortak katalizör titanyum oksit üzerinde iniş yapmak için geldiğinde bazen parçalanır ve hidroksil olarak bilinen bir çift molekül parçası oluşturur. Fakat bilim adamları, kopuşun ne sıklıkla gerçekleştiğini göstermedi. Şimdi araştırmacılar, hidroksil çiftlerini oluşturmaktan ziyade suyun katalizör yüzeyine bağlandığı için suyun tek parça halinde kalma ihtimalinin biraz daha yüksek olduğunu tespit ettiler.

Sonuç – suyun avantajı çok küçük – bazı kimyagerleri şaşırtabilir. Fakat bu küçük avantajın anlaşılması, titanyum dioksit kullanan sanayilerde çeşitli potansiyel uygulamalar için kapsamlı bir öneme sahiptir. Bu endüstriler arasında alternatif yakıt üretimi, güneş enerjisi ve gıda güvenliği ve hatta kendini temizleyen pencereler bulunmaktadır. Aynı zamanda, bilim adamlarına asitlerin nasıl davrandığını daha iyi anlamakta ve moleküllerin nasıl bölündüğü hakkındaki bilgilerini genişletmelerinde yardımcı olacak.

Enerjinin Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuarı’nda kimyager Zdenek Dohnalek, “Su nasıl bağlanır büyük sorundu” dedi. “Kimyagerler çok çeşitli yöntemlerden gelen bilgileri karıştırdı ve kuramcıların fikirleri vardı. Benzersiz bir enstrüman kombinasyonunu kullanarak sonunda çözdük” dedi.

Ekip çalışmaları Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı’nda bildirdi .

Gizemli topraklar

Birçok endüstri, kimyasal reaksiyonların hızlandırılmasına yardımcı olmak için titanyum oksit kullanıyor olsa da, bilim adamları tüm sırlarını ortaya çıkarmamıştır. Araştırmacılar uzun tartışmalara giren önemli bir gizem, suyun titanyum oksit ile etkileşimde bulunma şeklidir. Etkileşim kendi başına suyun ayrılması açısından önemlidir, ancak genel olarak birçok reaksiyonun seyrini de etkiler.

Titanyum oksit yüzeyinde moleküller suda bozulmadan hidroksillere ayrılmalar arasında geçiş yapar. Herhangi bir zamanda bozulmamış suyun hidroksillere oranını ölçmenin birçok farklı yolu var olmasına rağmen, bilim adamları onu on yıllardır çivilemezler.

Sorunu keşfetmek için, PNNL araştırmacıları farklı araçları yeni bir yolla birleştirdi. Tarama tünel mikroskopu olarak bilinen çok yüksek çözünürlüklü bir mikroskop altında oturan soğuk titanyum oksit üzerine çeşitli hızlarda su kirişleri gönderdiler.

Mikroskop, katalizörün titanyum ve oksijen atomlarını görselleştirmelerini sağladı. Atomlar, sıralarla dönüşümlü uzun mısır dizisine sahip mısır tarlası gibi aydınlık ve karanlık sıralar halinde görünür ve bireysel su molekülleri sıralarla hizalanmayan parlak noktalar olarak görünür.

Ekip, su moleküllerini yüzeye çıktıklarında görüntülemenin yanı sıra yüksek performanslı bir bilgisayarda kesin olarak etkileşen atomların ayrıntılarını simüle etti. Deneyleri ve simülasyonları birleştiren ekip, uzun süredir devam eden tartışmalara çözüm getirdi.

Anlık cazibe

V şeklinde şekillendirilmiş bir su molekülünün orta kısmında her iki tarafta iki küçük hidrojen atomuna bağlı yağ oksijen atomu bulunur. Titanyum oksit, bir kimyasal reaksiyonu ileriye doğru itmek için atomlar arasındaki bağları koparmaya yardımcı olur: titanyum atomları su moleküllerini tutar, katalizör yüzeyinin bir parçası olan yakındaki oksijenler çekilir ve ardından hidrojen atomlarından birisini yakalar.

Bu gerçekleştiğinde, bir tanesi hidrojen ile, diğeri ise su molekülüyle karışan bir yüzey oksijenden iki hidroksil oluşur.

Bilim adamları, hidroksillerin ne sıklıkta oluştuğunu bilmeliler. Su molekülleri yüzeyde büyük ölçüde bozulmadan var mı? Yoksa hemen hidroksillere dönüşüyorlar mı? Titanyum oksit üzerinde su kalmasının ne kadar büyük olduğunu ve hidroksillerin suya nasıl kolayca dönüştüğünü – diğer kimyasal reaksiyonların sahnesini belirler.

Öğrenmek için, kimyagerler hidroksillerin yüzeyde ne sıklıkta ortaya çıktıklarını ölçmek için teknolojiler geliştirmeliler. PNNL’deki bir DOE Bilim Kullanıcı Tesisindeki Çevre Moleküler Bilimler Laboratuvarı olan EMSL’de geliştirilen kaynakları kullanarak, düşük enerjili bir titanyum oksit yüzeyinde bir dizi su molekülünü vurdular – ışın yavaşça ve yüksek enerjiyle vurdu – Ateş halindeki bir ateş gibi hızlı hareket ediyor.

Yüzeyde parlak lekelerle bitti ve daha yüksek enerji, daha fazla nokta. Ancak lekeler, beklendiği gibi her iki hidroksili de içerecek kadar parlak görünmedi, bu yüzden lekelerin ne olduğunu belirlemek için ek deneyler yaptık.

Üzerinde nokta

Ekip titanyum dioksit yüzeyinde su çekti ve sonra suyu yerinde dondurdu. Sonra yavaş yavaş her şeyi ısıtıyorlardı. Sıcaklığı yükseltmek, su moleküllerine dönüşen – en az bir hidroksil olduğuna inanılan lekeleri ortaya çıkardı. Bu, her bir noktanın aslında bir çift hidroksil olması gerektiği anlamına geliyordu çünkü kanıtlar, bir su molekülü yapmak için gereken tüm hammaddelerin orada oturduğunu ve her iki hidroksile ihtiyaç duyulduğunu gösteriyordu.

Bir iniş suyu molekülünün hidroksil çiftlerine dönüştüğü sıcaklığı belirlemek için çeşitli diğer deneyler gerçekleştirdiler ve tersi. Bundan yola çıkarak, suyun yüzeydeki hidroksil çiftlerinden biraz daha kararlı olduğunu öğrendiler; yüzde 10 daha fazla, biz onları bozmak için gereken miktarda enerji harcarsak.

Araştırmacılar, yüksek performanslı bir bilgisayarda, ayrıca EMSL’de su inişlerini simüle ederek katalizöre yapışan su moleküllerinin, mısır alanındaki figüratif bir hendeğe inen su moleküllerinin, suyun oksijeninin aşağı doğru bir titanyum atomu ile karşı karşıya kaldığını keşfetti. Hendek.

Su doğru hızla girdiyse, su yeniden düzenlendi ve hidrojenlerinden birini yakındaki bir oksijene yerleştirdi ve deneylerde görülen hidroksil çiftlerini oluşturdu. Değilse, su molekülü az önce patladı.

Teorik kimyager ve yazar Roger Rousseau, “Ayaklarınızı halıya taktığınızda kıvılcım çıkaran statik statik elektrostatik özelliklerin su moleküllerinin yüzeye yönlendirilmesine yardımcı olduğunu keşfettik” dedi.

Bu ayrıntıların tümü, araştırmacıların katalizi daha iyi anlamalarına ve kimyasal tepkimeler hakkındaki anlayışımızı geliştirmesine yardımcı olacaktır. Buna ek olarak sonuçlar, bilim insanlarının uzun süre çimdiklemeye çalıştıkları bir değeri ortaya koyuyor: titanyum oksitte suyun hidrojen kaybetmenin ne kadar kolay veya zor olduğunu.

Kaynak : ozgunmanset.com