Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Malzeme ailesi, mühendislerin katalizörün yapısını ve bileşimini belirli bir kimyasal işlemin ihtiyaçlarına göre hassas bir şekilde ayarlamasına olanak tanır ve daha sonra geleneksel, daha pahalı katalizörlerin performansını karşılayabilir veya aşabilir. 

Bulgular bugün Nature Materials dergisinde, MIT doktora sonrası öğrencisi Shuai Yuan, yüksek lisans öğrencisi Jiayu Peng, Profesör Yang Shao-Horn, Profesör Yuriy Román-Leshkov ve diğer dokuz kişinin bir makalesinde açıklanıyor.

Oksijen evrimi reaksiyonları, yakıtların, kimyasalların ve malzemelerin elektrokimyasal üretiminde yaygın olan reaksiyonlardan biridir. Bu prosesler, oksijen gelişiminin bir yan ürünü olarak doğrudan yakıt olarak kullanılabilen veya diğer ulaşım yakıtlarını üretmek için kimyasal reaksiyonlara giren hidrojen üretimini; gübre veya kimyasal hammadde olarak kullanılmak üzere amonyak üretimi ve emisyonları kontrol etmek için karbondioksit azaltımı yapar.

Ancak Shao-Horn, yardım almadan bu tepkilerin yavaş olduğunu söylüyor. "Yavaş kinetiği olan bir reaksiyon için, reaksiyon hızını arttırmak için voltaj veya enerjiden fedakârlık etmeniz gerekir. Gereken ekstra enerji girdisi nedeniyle, genel verimlilik düşüktür. Bu yüzden insanlar katalizörleri kullanır" diyor, çünkü bu malzemeler doğal olarak enerji girdisini azaltarak reaksiyonları teşvik ediyor.

Román-Leshkov; “Bu katalizörlerin tümü örneğin iridyum oksit gibi çok kıt olan pahalı malzemelere veya geç geçiş metallerine dayanıyor ve toplulukta, aynı özelliklere sahip Dünya'da bol miktarda malzemeye dayalı alternatifler bulmak için büyük bir çaba sarf edildi. Etkinlik ve istikrar açısından performans," dedi. Ekip, tam olarak bu özellik kombinasyonunu sağlayan malzemeler bulduklarını söylüyor.

Román-Leshkov, diğer ekiplerin nikel-demir hidroksitler gibi metal hidroksitlerin kullanımını araştırdığını söylüyor. Ancak bu tür malzemelerin belirli uygulamaların gereksinimlerine göre uyarlanması zor olmuştur.Sözlerine devam eden Román-Leshkov;Çalışmamızın oldukça heyecan verici ve oldukça alakalı olmasının nedeni, bu metal hidroksitleri benzersiz bir şekilde nanoyapılandırarak özellikleri uyarlamanın bir yolunu bulmamızdır." 

Ekip, organik bağlayıcı moleküllerle birbirine bağlı metal oksit düğümlerinden oluşan bir tür kristal yapı olan metal-organik çerçeveler (MOF'ler) olarak bilinen ilgili bir bileşik sınıfı üzerinde yapılan araştırmalardan ödünç aldı . Ekip, bu tür malzemelerdeki metal oksidi belirli metal hidroksitlerle değiştirerek, potansiyel olarak katalizör olarak faydalı olmak için gerekli kararlılığa sahip, hassas şekilde ayarlanabilen malzemeler yaratmanın mümkün olduğunu buldu.

Román-Leshkov, "Bu organik bağlayıcıların zincirlerini yan yana koyarsınız ve aslında bu organik bağlayıcılarla birbirine bağlanan metal hidroksit levhaların oluşumunu yönlendirirsiniz, bunlar daha sonra istiflenir ve daha yüksek bir stabiliteye sahiptir”.dedi. Leshkov. Bunun, nanoyapılı desen üzerinde hassas bir kontrole izin vererek, metalin elektronik özelliklerinin hassas kontrolüne izin vererek ve ayrıca daha fazla stabilite sağlayarak, uzun süreli kullanımlara dayanmalarını sağlayarak birçok faydası olduğunu söylüyor.

Shao-Horn, bu tür malzemeleri test ederken, araştırmacıların katalizörlerin performansını "şaşırtıcı" bulduğunu söylüyor. "Oksijen evrim reaksiyonu için katalize eden son teknoloji oksit malzemelerinkiyle karşılaştırılabilir."

Ekip henüz tam bir ekonomik analiz yapmamış olsa da büyük ölçüde nikel ve demirden oluşan bu malzemelerin mevcut katalizörlerden en az 100 kat daha ucuz olması gerektiğini söylüyorlar.

Shao-Horn;”Bu tür katalizörlerin gerekli olduğu herhangi bir kimyasal işlemin tam ihtiyaçlarını karşılamak için bu malzeme ailesi, düşük enerji girdisi ile hidrojen üretmek için su bölünmesini katalize etmek için aktif bölgeleri ayarlamak için gerçekten yeni bir alan sunuyor" dedi.

Peng, malzemelerin, bileşikte nikel yerine farklı metalleri ikame ederek, mevcut nikel bazlı katalizörlerden "beş kat daha fazla ayarlanabilirlik" sağlayabileceğini söylüyor. Peng;"Bu, potansiyel olarak gelecekteki keşifler için birçok alakalı yol sunacaktır." Şeklinde aktardı.Malzemeler ayrıca son derece ince tabakalar halinde üretilebilir ve daha sonra başka bir malzeme üzerine kaplanabilir, bu da bu tür sistemlerin malzeme maliyetlerini daha da azaltır.

Şimdiye kadar, malzemeler küçük ölçekli laboratuvar test cihazlarında test edildi ve ekip şimdi, birkaç yıl sürebilecek olan, süreci ticari olarak ilgili ölçeklere yükseltmeye çalışmakla ilgili sorunları ele alıyor. Ancak Shao-Horn, bu fikrin temiz, emisyonsuz hidrojen yakıtı üretimini katalize etmeye yardımcı olmak için büyük bir potansiyele sahip olduğunu söylüyor, Shao-Horn;”Böylece değerli metallerin mevcudiyeti tarafından kısıtlanmadan bu süreçten hidrojen maliyetini düşürebiliriz. Bu önemli, çünkü ölçeklenebilen hidrojen üretim teknolojilerine ihtiyacımız var." Diyerek sözlerini noktaladı.

Makale:nature.com