Elektrokatalitik dönüşümler yalnızca elektrik enerjisine ihtiyaç duymaz; aynı zamanda istenen kimyasal reaksiyonu tetikleyecek güvenilir bir aracıya da ihtiyaç duyarlar. Yüzey metal-hidrojen ara maddeleri, katma değerli kimyasallar ve enerji dönüşümü üretebilir, ancak düşük konsantrasyonları ve kısa ömürlü olmaları nedeniyle, özellikle nano ölçekte, bunları karakterize etmek veya derinlemesine incelemek zordur.
Artık Cornell araştırmacıları, yüzeydeki metal-hidrojen ara maddelerinde ne olduğuna ve nerede olduğuna dair daha net bir görüş elde etmek için tek moleküllü süper çözünürlüklü reaksiyon görüntülemeyi kullandılar; hidrojen üretimini artırmaya ve sulu kirleticilerin arındırılmasına yardımcı olabilecek bilgiler.
Araştırma şu tarihte yayınlandı: Doğa Katalizi. Makalenin baş yazarı eski doktora sonrası araştırmacı Wenjie Li’dir. Proje, Sanat ve Bilim Koleji’nde Peter JW Debye Kimya Profesörü olan Peng Chen tarafından yönetildi.
Ara maddelerin davranışını ayrıştırmak için araştırmacılar model sistem olarak paladyum-hidrojeni seçtiler. Görüntüleme süreci, tek bir paladyum nanoküpünü araştıran ve yüzeyindeki paladyum-hidrojen ara ürünleriyle reaksiyona girerek floresan olan başka bir molekül üreten bir molekülün eklenmesini içeriyordu.
Chen, “Bu floresans, onu bireysel molekül seviyesinde görüntülememize olanak tanıyor, böylece her bir prob reaksiyon ürününü görebiliyoruz. Ayrıca yalnızca tek bir molekül seviyesinde görmekle kalmıyoruz, aynı zamanda nanometrelik uzaysal hassasiyetle konumunu da belirleyebiliyoruz” dedi.
Görüntüleme, bireysel paladyum parçacıklarının farklı hidrojenasyon davranışlarına ve özelliklerine sahip olduğunu ortaya çıkardı. Ayrıca ekip, ara maddelerin aynı parçacık üzerinde farklı bölgelerde oluşabileceğini ve bu nedenle farklı davranışlar sergileyebileceğini keşfetti.
Chen, “Gördüğümüz bir diğer önemli şey de, bu hidrojen ara maddesi paladyum katalizöründe oluştuğunda, artık paladyum yüzeyindeki hidrojen atomunun statik nesne dediğiniz şey olmadığı ortaya çıkıyor” dedi. “Hidrojen yalnızca paladyum parçacıkları üzerinde değil, aynı zamanda çevredeki elektro yüzeye doğru da hareket edebilir.”
Bu süreç, yani hidrojen yayılması iyi biliniyor ancak şimdiye kadar araştırmacılar, yayılmanın ne kadar uzağa ulaşabileceğini görselleştirmediler. Ekibin araştırma molekülü, bu mesafeyi ölçmelerine ve yüzlerce nanometreden daha uzak olan konumunu haritalandırmalarına olanak sağladı.
Tipik olarak, metal-hidrojen ara maddelerini incelemek için araştırmacılar, ara maddelerin oluşumunun toplu olarak ölçüldüğü “topluluk ortalamalı yöntemlere” güvenirler. Araştırmacılar, Gauss genişleyen kinetik analizi olarak bilinen yöntemi kullanarak, bu yöntemlerin faydalı olmasına rağmen, özellikle ara maddelerin stabilitesinin olduğundan fazla tahmin edilmesi ve sıklıkla parçacıktan parçacığa ve bölgeden bölgeye varyasyonların maskelenmesi gibi doğal eksikliklere sahip olduğunu belirlediler.
Chen, “Ölçümümüzde parçacıkları ayırt edebiliyoruz. Aynı parçacık üzerindeki alanlar arasındaki farkları da tahmin edecek bir yöntemimiz var” dedi. “Artık bu yetenek sayesinde, bu paladyum-hidrojen ara maddesinin oluşumuna yol açan indirgeme potansiyelini daha güvenilir bir şekilde belirleyebiliriz.”
Ekibin yaklaşımının genelliği, çok çeşitli elektrokimyasal ara maddelerin araştırılmasına yol açabilir. Hidrojen üretiminde elektrokatalizin kullanılması ve klorlu bileşikler gibi kirleticilerin sulu ortamlarının detoksifikasyonu için özellikle değerli olabilir.
