Işıkla aktifleşen katalizör, sürdürülebilir hidrojen peroksit üretimini daha verimli hale getirir

Hidrojen peroksit (H₂O₂), endüstriyel üretimi ağırlıklı olarak enerji yoğun bir prosese dayanan ve önemli bir çevresel ayak izine sahip çok yönlü bir kimyasal hammaddedir. Alternatiflerden biri, ışıkla etkinleştirilen bir katalizör kullanılarak üretilmesidir. Max Planck Kolloidler ve Arayüzler Enstitüsü’nün de dahil olduğu uluslararası bir araştırma projesinde araştırmacılar artık bir karbon nitrürdeki iyonların mekansal düzenini hassas bir şekilde kontrol etmelerine olanak tanıyan bir sentez stratejisi geliştirdiler. Ortaya çıkan fotokatalist, geleneksel yeşil üretim yöntemlerinden üç kat daha verimlidir. Bulgular şu adreste yayınlandı: Gelişmiş Malzemeler.

Hidrojen peroksit çevre dostu bir oksitleyici maddedir. Ayrıştığında yalnızca su ve oksijen üretir, bu nedenle “yeşil kimyasal” olarak da bilinir. Özellikle çevre dostu atık su arıtma ve evsel ve tıbbi dezenfeksiyona yönelik talep arttıkça üretim hacimleri de artmaya devam ediyor.

Bu talebi karşılamak için hidrojen peroksit hâlâ ağırlıklı olarak yüksek enerji maliyetlerine neden olan ve önemli bir karbon ayak izine sahip olan antrakinon adı verilen işlem kullanılarak üretiliyor. Fotokataliz umut verici bir alternatiftir. Bu süreçte bir malzeme ışığı emer ve enerjisini fosil enerjisi olmadan kimyasal bir reaksiyonu başlatmak için kullanır. Reaksiyonun verimliliği, diğer şeylerin yanı sıra, ışık tarafından üretilen yüklerin malzeme içinde ne kadar kolay hareket edebildiğine ve reaksiyonu başlatmak için ne kadar süre mevcut kaldıklarına bağlıdır.

Bu nedenle araştırma grubu, bu özelliklerin fotokatalistin kimyasal birleşimi kadar erken bir zamanda nasıl etkilenebileceğini araştırdı. Potsdam’daki Max Planck Enstitüsü’nde SunThesis araştırma grubuna liderlik eden ve 2023’ten beri bu konuyu araştıran ilgili yazar Dr. Christian M. Pelicano, “Bir fotokatalistin kimyasal bileşimini daha verimli hale getirmek için değiştirmek yerine, yapı taşlarının düzenlenme şeklini değiştirmeye çalıştık” diyor.

Bunu başarmak için araştırmacılar organik-inorganik iyonik kristalleri kullandılar. Bunlar, kristaller termal olarak nihai malzemeye dönüştürülürken iyonların nasıl dağılacağını kesin olarak tahmin etmeyi mümkün kılar. Ekip, bu yaklaşımı kullanarak “CALiK” adlı bir materyal geliştirdi. Poliheptazin imid (PHI) sınıfı malzemelere ait kristalli bir karbon nitrürdür ve mekansal olarak kontrol edilen bir ortamda lityum ve potasyum iyonları içerir.

Pelicano, “Bu kristaller zaten biliniyordu, ancak bunları karbon nitrürlerin öncülleri olarak kullanan ilk kişi bizdik. İlgimizi çeken şey, normalde kullandığımız öncüllerle aynı kimyasal bileşenleri içermeleriydi. Temel fark, iyonların zaten belirli bir şekilde düzenlenmiş olmasıdır ve bu düzenlemenin karbon nitrür malzemesine aktarılıp aktarılamayacağını merak ettik” diyor Pelicano.

Geleneksel üretim yöntemlerinde bu iyonlar genellikle erimiş tuz kullanılarak malzemeye düzensiz bir şekilde dahil edilir. Bu, uzaysal dağılımları üzerinde yalnızca sınırlı bir kontrol sağlar. Diğer yöntemlerle üretilen malzemelerle yapılan karşılaştırmalı deneyler, ekibin yalnızca kimyasal bileşimden bağımsız olarak seçilen sentez stratejisinin etkisini anlamasına yardımcı oldu.

İyonların tanımlanmış bir düzenlemesi fotokatalitik performansı artırır

Test edilen koşullar altında CALiK, geleneksel olarak hazırlanmış karşılaştırma malzemesi KPHI’den yaklaşık üç kat daha fazla hidrojen peroksit üretti ve yalnızca tek tip katyon olan CALi içeren test edilen en iyi performansa sahip malzemeden yaklaşık %40 daha fazla üretti. CALiK, 410 nanometre dalga boyunda ışıkla ışınlandığında, karşılaştırılan katalizörler arasında en yüksek olan %58’lik görünür kuantum verimine ulaştı. Bu ölçüm, ışık fotonlarının kimyasal reaksiyona giren elektronlara ne kadar verimli bir şekilde dönüştürüldüğünü açıklar.

Doktorasını sürdüren kimyager olan ilk yazar Anna Lo Presti, “Optimize edilmiş malzemedeki iyonların mekansal düzenlemesi önemli bir fark yaratıyor” diyor. Max Planck Enstitüsü’nde bu konu hakkında. “İlk kez önemli olanın yalnızca iyonların türü veya miktarı değil, aynı zamanda kafes içindeki konumları olduğunu göstermeyi başardık.”

Artan performansın nedenini araştırmak için araştırmacılar yapısal analizleri spektroskopik ve elektrokimyasal ölçümlerle birleştirdi. Işık tarafından üretilen yüklerin CALiK’te daha etkili bir şekilde ayrıldığını ve bu nedenle oksijenle reaksiyona daha uzun süre hazır kaldıklarını buldular.

Ek hesaplamalar, lityum iyonlarının mekansal dağılımının malzeme içindeki elektronik ortamı değiştirdiğini, dolayısıyla oksijen aktivasyonunu kolaylaştırdığını ileri sürüyor. Ancak hesaplamaların basitleştirilmiş model yapılarına dayandığı ve bu nedenle gerçek malzemedeki süreçleri henüz tam olarak yakalayamadığı unutulmamalıdır. Bununla birlikte, çalışma polimerik fotokatalizörlerin sentezleri sırasında optimize edilmesine yönelik bir yaklaşım sunmaktadır.