Yüzey Reaksiyonunun Geçici Aktivitesi
Metal yüzeyler, yakıt hücrelerinden araba egzoz gazlarının arıtılmasına kadar birçok önemli uygulama için katalizör görevi görür. Bununla birlikte, davranışları, yüzeye dahil olan oksijen atomlarından kesin olarak etkilenir.
Bu fenomen uzun zamandır bilinmektedir, ancak şimdiye kadar atom seviyesindeki kimyasal arka planı anlamak için oksijenin karmaşık yüzeylerdeki rolünü nokta nokta tam olarak araştırmak mümkün olmamıştır.
Bu, şimdi TU Wien’de Trieste’deki Elettra Synchrotron’dan bir ekiple işbirliği içinde başarılmıştır. Önceki çalışmalarda neden kısmen çelişkili sonuçların elde edildiğini açıklamak mümkün oldu; oksijen atomları eşit olarak dağılmamakta, özellikle çok özel yerlere kolayca yerleşmektedir.
Ortalama Değerler Yerine Hassas Ölçümler
TU Wien Malzeme Kimyası Enstitüsü’nden Prof. Günther Rupprechter, “Kataliz sırasında doğrudan bir metal yüzeyi incelemek büyük bir zorluktur” dedi. “Elbette, tüm katalizörü
bir reaktöre koyabilir ve tam olarak hangi kimyasal ürünlerin üretildiğini ölçebilirsiniz - ancak yalnızca ortalama bir değer elde edersiniz. Katalizördeki hangi bölgelerin kimyasal reaksiyona ve ne şekilde katkıda bulunduğunu bilemezsiniz. “
Başka bir olasılık da gerçek bir katalizör kullanmak değil, basit, son derece temiz, idealleştirilmiş bir parçasını kullanmaktır - örneğin, daha sonra mikroskop altında inceleyebileceğiniz, iyi bilinen özelliklere sahip küçük bir tek kristal gibi. Bu durumda, kesin, tekrarlanabilir sonuçlar elde edersiniz, ancak bunların pratik uygulamalarla pek ilgisi yoktur.
Günther Rupprechter ve Yuri Suchorski liderliğindeki araştırma grubu bu nedenle her iki yaklaşımın avantajlarını birleştirdi. Küçük tanelerden oluşan rodyumdan yapılmış
ince folyolar kullandılar. Her bir tane üzerinde, yüzey atomları farklı şekilde düzenlenebilir.
Tek bir tanede, tamamen aynı düzlemde olan dış atomlarla pürüzsüz, düzenli bir yüzey oluştururlar; onun yanında atomlar kendilerini birçok atomik adımdan oluşan daha karmaşık bir yapı oluşturacak şekilde düzenleyebilirler.
İşte asıl önemli olan bu adımlardır. Makalenin ilk yazarı Philipp Winkler, “Katalitik
aktivite için, katalizörün oksidasyon durumu merkezi bir rol oynar - yani oksijenin metal atomlarına bağlanıp bağlanmadığı,” dedi ve ekledi “Daha önceki deneylerde, genellikle ‘oksitlenmiş’ ve ‘oksitlenmemiş’ arasında belirli bir durumla uğraştığımızı bulduk - bu, yorumlanması zor bir durum.”
Ancak bu, rodyum folyonun her bir tanesinin aynı derecede oksitlenmediği anlaşıldığında anlaşılabilir. Oksidasyon tercihen köşelerde, kenarlarda ve basamaklarda başlar - burada oksijen atomlarının yüzeye bağlanması özellikle kolaydır. Bu nedenle, farklı yüzey yapılarına sahip farklı taneler farklı derecelerde oksitlenir.
Trieste’de Elektron Mikroskobu ve Senkrotron
Bu, son derece gelişmiş teknolojilerin bir kombinasyonu kullanılarak incelenebilir: “Özel bir elektron mikroskobunda, numune, katalitik reaksiyon sırasında UV ışığıyla ışınlanır ve ortaya çıkan elektron emisyonu mikrometre uzaysal çözünürlükle kaydedilir” diye açıkladı Yuri Suchorski, “Bu, rodyum folyonun hangi tanelerinin özellikle katalitik olarak aktif olduğunu tam olarak belirlememizi sağlar.
Aynı numune daha sonra tamamen farklı bir mikroskopla tekrar incelenir; senkrotronda X-ışınları ile tane tane olarak, numunenin yüzey oksidasyonu hakkında çok kesin bilgiler
elde edilir.”
Her iki sonucu birleştirirseniz, belirli yapılar için tam olarak hangi kimyasal davranışın karakteristik olduğunu belirleyebilirsiniz. Anahtar avantajı ise, yüzlerce farklı tane içeren
rodyum folyonun tamamını tek bir deneyde incelemenin mümkün olmasıdır.
Küçük tek kristalleri ayrı ayrı incelemek yerine, kataliz için kullanılan birçok farklı yapıyı içeren bir numune gerçek koşullar altında incelenir ve bu yapıların özellikleri hakkında bir kerede bilgi edinilir.
Rupprechter, “ Artık tüm numuneyi yetersiz bir şekilde tanımlayan ortalama bir değeri ölçmekle yetinmek zorunda değiliz, ancak hangi atomik yapıların hangi etkileri gösterdiğini
gerçekten ayrıntılı olarak anlayabiliriz.
Bu aynı zamanda enerji ve çevre teknolojisindeki birçok uygulama için gerekli olan önemli katalizörleri özel olarak geliştirmeyi de mümkün kılacaktır.”
Kaynak: More information: P. Winkler et al. How the anisotropy of surface oxide formation influences the transient activity of a surface reaction, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-020-20377-9 Journal information: Nature Communications / Provided by Vienna University of Technology / https://phys.org/news/2021-01-anisotropysurface- oxide-formation-transient.html
