Doğada bulunan çoğu metal aslında oksit formlarındadır. Bu metalleri kritik uygulamalarda kullanılmak üzere çıkarmak için – köprüler ve binalar gibi altyapıdan uçaklar, yarı iletkenler veya hatta kuantum malzemeleri gibi gelişmiş teknolojilere kadar – bunlar gazlarla azaltılmalıdır.
Bununla birlikte, farklı gazların oksit azalmasını nasıl etkileyebileceğini aydınlatan yeni bir çalışma, bilimsel anlayışları ve mevcut endüstriyel uygulamaları yenileme potansiyeline sahiptir.
Hidrojen veya karbon monoksit tipik olarak işin yeterince benzer şekilde yapıldığı varsayılan indirgeme maddeleri olarak kullanılır. Bu araştırma, ilk kez, metal üretimini körükleyen kritik kimyasal reaksiyonları etkileyen ikisi arasındaki farklı farklılıkları vurgulamaktadır.
Yayınlandı DoğaYeni makale, Binghamton Üniversitesi ile Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ile Stony Brook Üniversitesi ve Columbia Üniversitesi arasında bir işbirliği idi.
Thomas J. Watson Mühendislik Koleji ve Uygulamalı Bilimler Koleji ve Uygulamalı Bilimler Direktörü ve Müdür Yardımcısı Guangwen Zhou, “Anahtar zorluk, saf metaller vermek için metal oksitlerden verimli bir şekilde çıkarmaktır.” Dedi.
“Amaç, bu azaltma işlemini daha az enerji kullanarak, daha düşük sıcaklıklarda ve minimal karbondioksit emisyonları ile yönlendirmektir. Çalışmamız, reaksiyon kinetiğini hızlandırmak, metal ekstraksiyonunu daha hızlı, daha temiz ve daha fazla enerji verimli hale getirmek için gaz veya azaltmacıların seçimine yardımcı olabilecek bilgiler sunmaktadır.”
Karbon monoksitler, imalat sırasında zararlı sera gazlarının serbest bırakılmasındaki rolleri için endişelerini dile getirmiştir. Bu çalışmanın bulguları, süreci daha sürdürülebilir bir şekilde hızlandırabilen, metal üretimi için daha yeşil bir alternatif olarak hidrojene işaret etmektedir. Bütün bunlar, çok daha iyi huylu bir kimyasal sonuç olarak iyi huylu su buharı üretirken olur.
Binghamton doktora öğrencisi ve ilk yazar Xiaobo Chen’e göre, Zhou’nun araştırma grubunun üyeleri uzun zamandır oksitler üzerinde çalışıyorlar, ancak bir gaza karşı diğerine karşı bir gaz kullanırken azaltma reaksiyonlarında tutarsızlıkları yavaş yavaş fark etmeye başladılar.
Her bir indirgeyici maddenin mekanizmalarına neden olduktan sonra, karbon monoksit ve hidrojen azaltmacıların aslında çok benzer olmadığını bulmuşlardır. Nikel oksidi azaltmak için karbon monoksit kullanıldığında, oksit yüzeyi yavaş yavaş ince bir metal tabakası ile kaplandı – daha fazla katalitik reaksiyonun üstten oksijen tükendiği gibi ortaya çıkmasını durdurdu.
Sıkışan ve yığın içine göç edemeyen, yüzeyde biriken oksijen eksik olan cepler ve nikel oksidin lokal dönüşümünü metalik nikele dönüştürdü.
Bu yeni oluşturulan metalik “kabuk”, oksijenin oksit içinde daha derin çıkarılmasını daha da engelleyerek genel indirgeme işlemini yavaşlattı. Karbon dioksit emisyonlarına ek olarak, şimdi aktif olmayan bir oksitten herhangi bir reaksiyona girmeye devam etmek daha maliyetli ve zaman alıcı olacaktır.
Zhou, “CO’ya bakarsak – çünkü çoğunlukla metal üretimi için bir yöntem olarak kullanılır – yüzeydeki metal formlar varsa, aktif yerleri engelleyebilir ve reaksiyon kinetiğini yavaşlatabilir.” Dedi. “Bu, ekstraksiyon sürecini zorlaştırıyor, yani daha fazla enerji ve daha yüksek sıcaklık kullanmanız gerekiyor.”
Buna karşılık, hidrojen kullanıldığında, yüzeyde oluşan oksijen boşlukları, iç kısım boyunca metal oluşumunu sağlayarak oksidin kütlesine göç edebilir. Önemli olarak, yüzey, kimyasal reaksiyonları atlamak için çok önemli olan katalitik reaksiyonları hala kapasiteye sahip olan hidrojen ile büyük ölçüde sağlam kaldı.
Zhou, “Tüm bu fark temel mekanizmalardaki farkla ilgilidir.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bence topluluğun bu çalışmaya güçlü bir ilgisi olmasının nedeni bu, çünkü bu iki temel indirgeyici gazı, hem kinetik hem de reaksiyon ürünlerinde reaksiyonları kontrol etmede bu iki temel indirgeyici gazı anlamak için sağladık.”
Ve hidrojen protonları, oksijen boşluklarının yüzeyden daha kolay göç etmesine yardımcı olduğu için, bu da oksit içten yüzeyine atomik oksijenin karşı difüzyonu yoluyla yenilenme olasılığını artırır-oksitlerin sergilediği kendi kendini iyileştiren bir davranış tuhaflığı.
Zhou, bu mekanizmayı da yayınlanan bir makalede inceledi. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.
Zhou, “Hidrojen kullanırsak, bu süreci kolaylaştırabiliriz. Endüstriyel uygulamalar için, katalizör rejenerasyonuna katalitik süreci kesmeden olabilir.” Dedi. “Reaksiyonun kendisi aslında katalizörü daha uzun süre dayanmasını sağlamak için bazı kendini iyileştirme yetenekleri oluşturabilir veya sağlayabilir.”
Uzun zamandır bir işbirliği
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı Fonksiyonel Nanomateryaller Merkezi’nde (CFN) bir bilim adamı olan Judith Yang’a göre, bu çalışma, endüstriyel uygulamaları geliştirme potansiyelinden daha fazlası, bilim adamlarının oksit azaltmanın temel ilkelerini nasıl anlayabileceklerini yeniden bağlamlıyor.
Önceki inanç, azalmaların azaltmacıların kendisinden ziyade kısmi oksijen basıncından daha fazla etkilendiğine karar vermiştir. Örneğin, iyi bir tatlı pişirmek için daha iyi olanı merak edebilirsiniz: fırının sıcaklığı veya temel malzemeler.
Yang, “Profesör Zhou gibi bu yeni araçlar ve bilimsel anlayışlarla, bu sistemlerde hala sınıfta öğretilen klasik ve standart bir açıklamaya sahip büyük bir zenginlik görüyoruz.” Dedi. “Şimdi yeni bir paradigma geliştiriyoruz.”
Zhou ve öğrencileri, araştırmalarını ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Programı tarafından desteklenen Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda yer alan ortak kullanıcı tesislerinde personel bilimsel destek ile birleştiğinde enstrümanları kullanarak gerçekleştirdiler. İlk olarak, atomla atomda gerçek zamanlı reaksiyonları gözlemlemek için CFN’nin çevresel iletim elektron mikroskobu (TEM) kullandılar.
Zhou, “Tüm ülkede böyle bir yeteneğe sahip sadece birkaçı (bu araçlardan) var.” Dedi. “Bu yüzden bu araca erişme fırsatına sahip olduğumuz için şanslıyız.”
Reaksiyonları daha büyük bir ölçekte incelemek için senkrotron X-ışını kırınımı (XRD) ile tamamladılar.
“Bu tekniklerin kombinasyonu, reaksiyonun kapsamlı, çok ölçekli bir anlayışını sağlar.”
“Yerinde TEM çekirdeklenmenin yüzeyde veya iç kısımda nano ölçekte başlayıp başlamadığını ortaya çıkarsa da, daha büyük ölçekli örnekleri araştıramaz. Tersine, Topluluk XRD toplu ölçekli bilgiler sunar. Birlikte, bu yöntemler farklı uzunluklarda reaksiyon dinamiklerinin tutarlı ve tamamlayıcı kanıtlarını sunar.”
Bunun gibi bir proje birçok el ve kafa gerektirdi, dedi Zhou, ancak Binghamton ve Brookhaven arasındaki ortaklığın birden fazla çalışmaya yayıldığını söyledi. Ayrıca, CFN ve NSLS-II, daha geniş araştırma topluluğu tarafından kullanımda ücretsiz olan en yeni enstrümantasyon ve bilimsel uzmanlığa sahip paylaşılan kullanıcı tesisleridir.
“Binghamton’daki fakülte pozisyonuma başladığımdan beri Brookhaven Ulusal Laboratuarından insanlarla işbirliği yapıyorum, bu yüzden muhtemelen 20 yıla daha yakın.” Dedi. “Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndaki CFN kariyerim ve araştırmalarım için gerçekten etkili oldu.”
Zhou’nun öğrencilerinin çoğu, Brookhaven’da yerinde çalışıyor ve tecrübeli bilim adamları ile ilişki kurarken karmaşık enstrümanlarda ve deneylerde gezinme konusunda önemli bir deneyim kazanıyor.
Chen, “Her seferinde deneyleri başarılı bir şekilde gerçekleştirmeyi garanti edemeyiz. Bazen denemek için çok fazla şansa ihtiyacımız var.” Dedi. “Her seferinde bir sonuç alabileceğimizi garanti edemeyiz, ancak CFN ve NSLS-II temelde dostça bir ortamdır. Bu tür şeyleri denemek için çok fazla şansımız olabilir.”
Bu gibi çalışmalar sadece endüstrilere fayda değil, aynı zamanda kendisi gibi yaşam için sürekli güçlendirici teknolojilerle çalışacak bilim adamları da.
“Xiaobo ve Profesör Zhou’nun yeni nesil altyapı gelişimini motive eden bilimi” dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Kimyayı ve yapıyı gerçek zamanlı olarak, atom ölçeğinde, kontrollü bir ortamda elde etme konusundaki bu ilgi, bir sonraki enstrümanımızı motive etti.”
Bu durumda, angstrom düzeyinde çözünürlük, olağanüstü enerji ve zamansal çözünürlük ve ultra yüksek vakum basınçlarından sadece birkaç Torr’a kadar değişen gazlar, dünyada özel bir çevresel tarama iletim elektron mikroskobudur.
Zhou ve ekibi şimdi, bir zamanlar antik tarihin çoğunu karakterize eden aynı bronz ve demir çağları olan bakırdan demir oksitlere kadar deney malzemelerini genişletmeyi planlıyor.
“Guangwen’in çalışmasının insanlık tarihine bağlı olması gerçekten büyüleyici” dedi. Diyerek şöyle devam etti: “İnsanlık tarihinin maddi yaşlarını tanımlayan şeyde yeni hayranlık buluyoruz.”
