Bilim insanları, doğanın çok önemli kimyasal reaksiyonlarından biri olan oksijen evrimi reaksiyonunda, anahtar katalizör görevi gören şeyin, demir gibi daha bol miktarda bulunan benzer elementlerden ziyade manganez olduğunu uzun zamandır ilgiyle belirtmişlerdir.
Şimdi, yayınlanan araştırmada Doğa SürdürülebilirliğiJaponya’daki RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilimi Merkezi’nde (CSRS) Ryuhei Nakamura liderliğindeki bir araştırma grubu, manganezin elektrik voltajında dalgalanmalar olduğunda bile hareket etme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahip olduğunu ve bu yeteneğin, manganezin bir katalizör olarak başarısı için kritik öneme sahip olduğunu keşfetti.
Bu aynı zamanda yapay olarak manganezin rüzgar ve güneş enerjisi gibi elektrik üretiminin dalgalandığı uygulamalar için iyi bir aday olduğu anlamına da geliyor.
Protonları ve elektronları su gibi bileşiklerden serbest bırakmak için enerji kullanan ve bu süreçte oksijeni serbest bırakan oksijen evrimi reaksiyonu, fotosentezin merkezinde işlev gördüğü için Dünya’daki yaşam için kritik öneme sahiptir. Bizim ve diğer canlıların nefes alarak enerji almasını sağlayan da bu reaksiyonda üretilen serbest oksijendir.
Manganez, çeşitli oksidasyon durumlarında bulunabilen oksit benzeri bir manganez kümesi formunda, bu reaksiyonda ana katalizör görevi görür. Güneş enerjisi veya elektrik enerjisi dalgalandığında manganezin oksidasyon durumu değişir ve reaksiyonun tekrar tekrar tetiklenmesine olanak tanır.
Bu sürecin döngüsel doğası, katalizörlerin tekrar tekrar kullanılmasına izin verdiği için sürdürülebilir reaksiyonlar için önemli bir özelliktir. İdeal bir katalizör için bu işlem süresiz olarak tekrarlanacaktır.
Ancak gerçek katalizörler, örneğin manganez gibi metal iyonlarının çözünmesi nedeniyle zamanla devre dışı kalır. Normalde bu tek yönlü bir yoldur ve kaybolan iyonlar katalizöre geri dönmez.
Ancak mevcut çalışma için araştırmacılar, oksidasyon durumu 7 olan bir manganez iyonunun, 3 durumuna sahip bir manganez iyonuna dönüştürüldüğü Guyard reaksiyonunu dahil ettiler. Araştırmacılar, katalizörün, voltaj çok yükseldiğinde beklendiği gibi ayrıştığını, Guyard reaksiyonunun dahil edilmesiyle, aşırı voltaj kaldırıldığında yeniden üretildiğini buldu.
Spesifik olarak, araştırmacılar voltajı tekrar tekrar 1,68 volt ile 3,00 volt arasında değiştirdiğinde, katalizör 2000 saatten fazla bir süre boyunca pH 2’de santimetre kare başına 250 miliamperlik bir akımı koruyabildi; bu da aralıklı yenilenebilir kaynaklardan sürdürülebilir enerji dönüşümü için yol tasarımının önemini vurguladı.
Bu yenilenme manganeze özgüdür; çünkü “3 boyutlu blok”taki kobalt, demir ve nikel gibi benzer kimyasal elementler aynı deneysel koşullar altında yenilenemez. Yazarlar bunun, manganezin fotosentezde anahtar katalizör haline gelmesinde önemli bir faktör olduğuna inanıyor.
Etki açısından Nakamura’ya göre, “Dalgalanan voltajlara dayanıklı malzemeler geliştirmenin mümkün olduğunu gösterdik ve sonunda doğrudan yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı su elektrolizörlerinde (suyu oksijen ve hidrojene dönüştüren cihazlar) kullanılabilecek malzemeler geliştirme potansiyeline sahip olduk.”
Bunun nedeni, güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının saniyelerden saatlere kadar değişen zaman ölçeklerinde dalgalanmasıdır.
Nakamura ileriye dönük olarak şöyle diyor: “Bu önemli bir iş, ancak buna yönelik endüstriyel uygulamalar yaratmak için kullanım ömrünü en azından bir miktar uzatabilmemiz gerekiyor. Şu anda bu sorunla uğraşıyoruz.”
