Ticari kimyasalların çoğu katalizörler kullanılarak üretilmektedir. Genellikle bu katalizörler, oksidik bir destek üzerine yerleştirilmiş küçük metal nanopartiküllerden oluşur. Yüzeyi farklı yönlere yönlendirilmiş farklı fasetlerden oluşan kesilmiş bir elmasa benzer şekilde, katalitik bir nanoparçacık da kristalografik olarak farklı fasetlere sahiptir ve bu fasetler farklı kimyasal özelliklere sahip olabilir.
Kimyasal reaksiyonun kendisi ve katalizörün yüzey yapısı hakkında aynı anda bilgi edinmek çok zor olduğundan, şimdiye kadar bu farklılıklar kataliz araştırmalarında genellikle dikkate alınmamıştır. Wien Teknoloji Üniversitesi tarafından bu farklı mikroskobik yöntemler birleştirilerek başarıldı. Alan elektron mikroskobu ve alan iyon mikroskobu yardımıyla, tek bir rodyum nanoparçacık üzerindeki hidrojenin oksidasyonunu nanometre çözünürlükte gerçek zamanlı olarak görselleştirmek mümkün hale geldi.
Bu, gelecekte daha iyi katalizör arayışında dikkate alınması gereken şaşırtıcı etkileri ortaya çıkardı. Sonuçlar Science adlı bilimsel dergide sunuldu.
Kimyasal Reaksiyonların Ritmi
Wien Teknoloji Üniversitesi Malzeme Kimyası Enstitüsü’nden Prof. Günter Rupprechter, “Belirli kimyasal reaksiyonlarda, bir katalizör periyodik olarak aktif ve inaktif durum arasında gidip gelebilir” dedi ve “İki durum arasında kendi kendine devam eden kimyasal salınımlar meydana gelebilir – kimyager Gerhard Ertl 2007 yılında bu keşfi için Nobel Kimya Ödülü’nü aldı.” diyerek ekledi.
Bu durum, her yakıt hücresinin temeli olan hidrojen oksidasyonu için katalizör olarak kullanılan rodyum nanopartikülleri için de geçerlidir. Belirli koşullar altında nanoparçacıklar, oksijen moleküllerinin parçacık yüzeyinde ayrıştığı bir durum ile hidrojenin bağlı olduğu bir durum arasında gidip gelebilir.
Dahil Edilen Oksijen Yüzey Davranışını Değiştiyor
Çalışmanın ilk yazarı Prof. Yuri Suchorski “Bir rodyum parçacığı bir oksijen ve hidrojen atmosferine maruz kaldığında, oksijen molekülleri rodyum yüzeyinde ayrı ayrı atomlara bölünür. Bu oksijen atomları daha sonra en üstteki rodyum tabakasının altına göç edebilir ve orada yüzey altı oksijeni olarak birikebilir.” dedi.
Hidrojen ile etkileşim yoluyla bu depolanmış oksijen atomları daha sonra tekrar ortaya çıkarılabilir ve hidrojen atomları ile reaksiyona girebilir.
Ardından, rodyum parçacığının içinde daha fazla oksijen atomu için yine yer vardır ve döngü yeniden başlar. Yuri Suchorski, “Bu geri besleme mekanizması salınımların frekansını kontrol ediyor” dedi
Şimdiye kadar, bu kimyasal salınımların tüm nanoparçacık üzerinde her zaman aynı ritimde eşzamanlı olarak gerçekleştiği düşünülüyordu. Sonuçta, hidrojen atomları bir yüzeyden bitişik yüzeylere kolayca yer değiştirebildiğinden nanoparçacık yüzeyinin farklı yüzlerindeki kimyasal süreçler uzamsal olarak birbirine bağlıdır.
Ancak, Profesör Günther Rupprechter ve Profesör Yuri Suchorski’den oluşan araştırma grubunun sonuçları, işlerin aslında çok daha karmaşık olduğunu gösteriyor: Belirli koşullar altında, uzamsal bağlantı kalkıyor ve bitişik yüzeyler aniden önemli ölçüde farklı frekanslarla salınıyor- ve nanoparçacığın bazı bölgelerinde, bu salınan “kimyasal dalgalar” hiç yayılmıyor.
Yuri Suchorski, “Bu durum atomik ölçekte açıklanabilir” diyor. “Oksijenin etkisi altında, pürüzsüz bir yüzeyden çıkıntı yapan rodyum atomu sıraları ortaya çıkabilir. Bu atom sıraları daha sonra bir tür “dalga kırıcı” olarak hareket edebilir ve hidrojen atomlarının bir yüzeyden diğerine geçişini engelleyebilir – yüzeyler ayrışır.
Eğer durum böyleyse, tek başına fasetler farklı frekanslarda salınımlar oluşturabilir. Günther Rupprechter, “Farklı fasetlerde rodyum atomları yüzeyde farklı şekilde düzenlenmiştir” dedi ve “”Bu nedenle, rodyum parçacığının farklı fasetleri altında oksijenin birleşmesi de farklı oranlarda ilerliyor ve böylece kristalografik olarak farklı fasetlerde farklı frekanslarda salınımlar ortaya çıkıyor.” diyerek ekledi.
Nanopartikül Modeli Olarak Bir Hemisfer
Bu karmaşık kimyasal davranışı çözmenin anahtarı, ince bir rodyum ucunu katalitik bir nanoparçacık için model olarak kullanmakta yatıyor. Bir elektrik alanı uygulanır ve kuantum mekaniksel tünelleme etkisi nedeniyle elektronlar uçtan ayrılır. Bu elektronlar elektrik alanında hızlandırılarak bir ekrana çarpıyor ve burada ucun yaklaşık 2 nanometre çözünürlükte bir projeksiyon görüntüsü oluşturuluyor.
Yüzey bölgelerinin birbiri ardına tarandığı taramalı mikroskopların aksine, bu tür paralel görüntüleme tüm yüzey atomlarını aynı anda görselleştirir – aksi takdirde salınımların senkronizasyonunu ve desenkronizasyonunu izlemek mümkün olmazdı.
Bir nanoparçacığın kendi başına yüzlerinin etkileşimine yeni kavrayışlar artık daha etkili katalizörlere yol açabilir ve doğrusal olmayan reaksiyon kinetiği, örüntü oluşumu ve uzamsal bağlantı mekanizmalarına dair derin atomik kavrayışlar sağlayabilir. [1]Nanoparticles: The complex rhythm of chemistry[2]Öne çıkarılan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Nanoparticles: The complex rhythm of chemistry |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkarılan görsel |
