Kimya endüstrisinde kullanılan ürünlerin % 80’i katalitik işlemlerle üretilmektedir. Katalitik işlemler enerji dönüşümünde ve egzoz gazlarının arıtımında da vazgeçilmezdir.
Asıl önemli olan ise bu işlemlerin olabildiğince hızlı ve etkili bir şekilde yürütülmesidir.
Endüstri daha iyi katalitik süreçler elde edilebilmesi için sürekli yeni maddeler ile test edilmektedir.
Villigen’deki Paul Scherrer Enstitüsü PSI ve Zümrüt ETH araştırmacıları, bu tür deneylerin hassasiyetini iyileştirmek amacıyla araştırmayı hızlandıracak bir yöntem geliştirdiler.
Geliştirilen bu yöntem, 50 yıldan daha uzun zamandır devam eden bilimsel tartışmaya da son noktayı koymuştur.
İsviçreli bilim insanları, yeni bir süreçle yapılan araştırmalarla katalitik işlemleri optimize etmeyi kolaylaştırıyor.
Hem PSI’daki Mikro ve Nanoteknoloji Laboratuvarı hem de ETH Zürih’te Kimya ve Biyomühendislik Enstitüsü’ne bağlı olan Waiz Karim Katalitik model sistemleri(deney düzenekleri) bir nano metreye kadar nanopartiküllerin kimyasal reaksiyonlarını doğru bir şekilde izleyebilecek bir yol bulduklarını açıkladı.
“Ulaşılan sonuçlar , seçici olarak katalitik süreçlerin verimliliğini optimize etmeyi de mümkün kılıyor.”
Kataliz kimyada temel bir süreçtir. Maddelerin reaksiyonları bir katalizör varlığında tetiklenir veya hızlanır.
Egzoz gazlarının işlenmesinde sentetik materyallerin, asitlerin ve diğer kimyasal ürünlerin üretiminde ve enerji depolamada da önemli bir rol oynar.
Bu nedenle, endüstri katalitik süreçlerin optimize edilmesi ile ilgili çalışmalarını artırıyor.
ETH Zürih’teki PSI’daki Kataliz ve Sürdürülebilir Kimya Laboratuarı başkanlığını yürüten Heterojen Katalizör profesörü Jeroen van Bokhoven, “Bunu yapabilmek için moleküler seviyede neler olup bittiğini anlayabilecek daha derin bir araştırmaya ihtiyacımız var.” dedi.
Bu yeni bakış açısıyla daha etkili sonuçlara ulaşılabilir.
Araştırmacılar, katalizi en ince ayrıntısına kadar incelemelerini sağlayan bir model sistemi oluşturdu. Deneyler ağırlıklı olarak PSI’da yapıldı ve teorik temeller ETH Zürih’de atıldı.
Model deneyi için Karim ve van Bokhoven ekibi, hidrojen ilavesi ile katalizör platinden yardım alıp demir haline dönüştürülen demir oksidi kullandı.
Platin, moleküler hidrojeni (H2), demir oksitle daha kolay reaksiyona girebilen elemental hidrojene (H) bölmektedir.
Elde edilen modellemenin asıl ilgil çeken yanı ise en son teknoloji ürünü elektron demeti litografisi kullanılarak, yarı iletken teknolojide her biri sadece birkaç atomdan oluşan minik parçacıkların bir desteğe konulmasıdır.
Demir oksit parçacıklarının boyutu yalnızca 60 nanometredir. Platin parçacıkları 30 nanometreden daha küçüktür. (İnsan saçı çapının yaklaşık iki binde biri)
Araştırmacılar, bu parçacıkları 15 farklı mesafeden bir ızgara benzeri model üzerinde çiftler halinde yerleştirdiler. İlk ızgaralı bölümde, parçacıklar 45 nanometre arayla konumlandırıldı. Platin parçacığı tam olarak demir oksit parçacıklarının üzerinde 15. segmentte durdurdular.
15. segmentte, demir oksit tamamen yalnızdı. Karim “Böylece bir anda 16 değişik durumu test edebildik ve parçacıkların boyutlarını ve aralıklarını bir nanometre doğrulukla kontrol edebildik” diye açıkladı.
Sonra modeli hidrojenle vapourize ettiler ve olanları izlediler.
Moleküler alanda yapılan bu gözlem için, ekip, daha önceki bir projede, küçük parçacıkları X-ışını ile analiz etmek için “tek parçacıklı spektromikroskopi” adlı bir yöntemi kullandı.
Bunu yapmak için yüksek kaliteli X-ışını ışığı üreten büyük ölçekli bir araştırma tesisi olan PSI’nin İsviçre Işık Kaynağı SLS gerekli araçlara sahiptir.
Parçacık konumlandırma hassasiyetinin araştırılması yeni bir araştırma değil, ancak aynı zamanda birçok parçacığın farklı durumlarda gözlenmesi de dahil kimyasal reaksiyonların gözlenmesi daha önce mümkün olmamıştı.
Karim, önceki araştırmalarda iki farklı maddenin nanopartiküllerinin yerleştirilmesinin 30 nanometreye kadar çıkabildiğini açıkladı.
Ancak, bu konuda yapılan diğer bazı araştırmalarda daha küçük ölçekte gerçekleşen kimyasal olaylarda incelendi.
Bunlardan biri, PSI ve ETH araştırmacılarının yeni modelleriyle incelediği hidrojen yayılım etkisi olarak adlandırılıyor.
Bu etki, katalizörün hidrojen ile etkinliğine belirgin bir katkıda bulunuyor.
Hidrojen yayılım etkisi ilk olarak 1964’te keşfedildi ancak şimdiye kadar ayrıntılı olarak anlaşılamadı ya da görselleştirilemedi.
Sonuç olarak, gerçekte hangi koşullar altında gerçekleştiği, belirsiz ve tartışmalı olarak kaydedildi.
Karim ve van Bokhoven ekibi ise , ihtiyaç duyulan hassasiyetle ilk kez onu analiz etmeyi başardı.
Hidrojen molekülleri, platin parçacığına rastladıkları anda ayrıldı ve sonra element hidrojen, yanlardan destek malzemesine doğru aktı.
Sonra suyun kaynağı olarak bir baharın dışına yayıldı.
Araştırmacılar tarafından ifade edildiği üzere, hidrojen atomları demir oksit parçacıklarıyla buluşuyor ve onları demir haline “indirgiyor”.
Karim, yapılan bu çalışma ile “Hidrojen akışının destek malzemesine bağlı olduğunu kanıtlamış olduk” dedi.
Akış ne kadar uzaklaşırsa, dökülme olayı katalize o kadar katkıda bulunabilir. Örneğin destek indirgenemeyecek bir madde olan alüminyum oksitten oluşuyorsa, hidrojen 15 nanometreden daha fazla akmaz.
Aksine indirgenebilir titanyum oksit ile, tüm yüzey boyunca akar.
“Açıkçası, bazı destek malzemeleri için parçacıkların malzeme üzerinde ne kadar sıkı oturduğu oldukça önemlidir.”
Böylece, yeni nanoteknoloji süreci ile PSI ve ETH araştırmacıları, hidrojen yayılımı etkisinin koşullarını açıklığa kavuşturdu.
Jeroen van Bokhoven’in , “Model sistemin nanofabrikasyonu, kimyasal reaksiyonların kesin ölçümü ve son fakat teorik olan modelleme:” olarak açıkladığı yöntem üç temel noktaya dayanıyor.
Jeroen van Bokhoven, Şu anda gelinen nokta deneylere uygun olarak süreci moleküler seviyeye kadar tarif edebilmek.
Bu, kimyasal bilimde çok önemli ilerlemeler sağlayabilir.
“Bununla birlikte, katalitik süreçlerin incelenmesi ve anlaşılması için yepyeni bir boyut açıyoruz. Ve bu anlayışla, endüstriyel üretim süreçleri çok daha ileriye yönelik hedefleri bir şekilde optimize edilebilir. ” açıklamasını yaptı.
