Bakırın oksijen açısından zengin erken oksidasyon katmanı, katalizör tasarımına ve nükleer atık depolamaya bilgi verebilir

Bakır çatılar zamanla kırmızımsı rengini kaybeder çünkü yüzeylerinde soluk yeşil bir bakır oksit tabakası oluşur ve çatıyı uzun yıllar daha fazla korozyondan korur. Peki bu sürecin ilk adımlarında tam olarak ne oluyor? Hatta bunu durdurmak mümkün olabilir mi? Bakır kapların nükleer atıkların depolanması için en iyi seçeneklerden biri olarak görülmesi nedeniyle bu soru giderek acil hale geldi.

Oksidasyon adımları

Saf bakır oksit oluşmadan önce ’29’Cu gibi bakır ve oksijen atomlarından oluşan karmaşık üst yapılar ortaya çıkar._XO, oluşuyor. Bu karmaşık bileşikteki bakırın oksidasyon durumu oldukça tartışmalıydı ve geleneksel spektroskopik yöntemler saf bakır ile kısmen oksitlenmiş yüzey arasındaki farkları zar zor tespit edebildiğinden doğrudan ölçülemiyordu.

Şimdi, Profesör Dr. Alexander Föhlisch liderliğindeki bir ekip, BESSY II’de Auger fotoelektron tesadüf spektroskopisini (APECS) kullanarak bunu yapmayı başardı. Bu son derece yüzeye duyarlı yöntem, kimyasal durumlar arasında net bir ayrım yapılmasına olanak sağladı. Araştırma şu adreste yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

BESSY II’de şaşırtıcı bilgiler

Sonuç: İyi bilinen ’29’ yüzey oksitindeki bakır atomları metalik duruma çok yakındır; oksidasyon durumları yalnızca 0,3 civarındadır. Bu, çok fazla oksijen içermesine rağmen yüzeyin bakır oksitten (Cu₂O) çok daha fazla metalik bakıra benzediği anlamına gelir.

Ölçümleri gerçekleştiren Swarnshikha Sinha, “Bu şaşırtıcı ve gerçekten dikkate değer çünkü yüzeydeki oksijen konsantrasyonu çok yüksek” diyor. “Koruyucu yüzey oksidini oluşturan oksijen türlerinin dağılımını da belirledik” diye belirtiyor.

Çalışmaları, bir yüzeydeki oksijen miktarının, bakır atomlarının oksitlenme derecesini otomatik olarak belirlemediğini gösteriyor.

Katalizörler ve bakır kaplar

Bu bilgiler iki farklı uygulama alanı için faydalıdır. Bakır, örneğin CO₂ indirgeme, metanol sentezi veya oksidasyon reaksiyonlarında katalizör olarak kullanılır. Genellikle aktif bölgeler tamamen oksitlenmiş CuO, Cu₂O veya saf metal değil, kısmen oksitlenmiş yüzeylerdir. Bu yüzeyler elektronik olarak neredeyse metalikse, bu durum onların saf oksitlerle karşılaştırıldığında neden sıklıkla farklı aktivite ve seçicilik sergilediklerini açıklar. Bu bilgi, katalizörlerin hedeflenen gelişimini hızlandırabilir.

İkinci uygulama alanı ise bakır yüzeylerdeki korozyon süreçlerinin daha kesin olarak anlaşılmasıdır. Bu özellikle kullanılmış nükleer yakıt elemanlarının nihai imhası için güvenli bakır kapların geliştirilmesiyle ilgilidir.