Bir ortamın pH’ının veya asitliği veya alkaliliğinin, katalizörlerin temel elektrokimyasal reaksiyonları ne kadar verimli bir şekilde yürüttüğünü etkilediği uzun zamandır bilinmektedir. Onlarca yıl süren araştırmalara rağmen, bu pH etkilerinin ardındaki atomik ölçekli mekanizmalar bilim adamlarının gözünden kaçtı.
Yeni bir çalışma, elektrik alanlarının, yüzey özelliklerinin ve yük dinamiklerinin katalitik performansı yönetmek için nasıl iç içe geçtiğini çözerek bu gizeme ışık tutuyor. Bulgular, çeşitli ortamlarda verimli bir şekilde performans gösteren ve yeni nesil temiz enerji teknolojilerinin önünü açan katalizörlerin rasyonel olarak tasarlanmasına yönelik önemli bir adıma işaret ediyor.
Makale şu adreste yayınlandı: Malzeme Kimyası Dergisi A.
Geleneksel modeller pH’a bağlı aktiviteyi esas olarak hesaplamalı hidrojen elektrot (CHE) modeli ve Nernst denklemi aracılığıyla açıklamıştır. Bu çerçeveler aktivitedeki değişimleri potansiyel ve proton konsantrasyonundaki değişikliklerle ilişkilendirdi.
Ancak yeni araştırma, gerçekliğin çok daha karmaşık olduğunu, standart modellerin tam olarak yakalayamadığı bir arayüzey elektrik alanları ve moleküler etkileşimler ağını içerdiğini gösteriyor.
Hem deneysel hem de hesaplamalı yöntemlerdeki son gelişmeler, dipol momentleri, polarize edilebilirlik ve sıfır yük potansiyeli (PZC) gibi özelliklerin kritik bir rol oynadığını ortaya çıkarmıştır. Bu faktörler, moleküllerin ve iyonların katalizör yüzeyleriyle nasıl etkileşime gireceğini belirleyerek reaksiyon hızlarını ve seçiciliği doğrudan etkiler.
Elektrokimya, fizik ve hesaplamalı modellemeden elde edilen bilgileri bir araya getiren araştırma, bu arayüzey etkilerinin, hidrojen oluşumu (HER), oksijen indirgemesi (ORR), karbondioksit azaltımı (CO₂RR) ve nitrat indirgemesi (NO₃RR) dahil olmak üzere çok çeşitli reaksiyonlarda nasıl ortaya çıktığını vurguluyor. Bunlar yenilenebilir enerji dönüşümü, yakıt üretimi ve çevresel iyileştirme için en önemli reaksiyonlar arasındadır.
Çalışmayı yöneten Tohoku Üniversitesi İleri Malzeme Araştırmaları Enstitüsü’nden (WPI-AIMR) profesör Hao Li, “Çalışmamız, pH etkilerinin sadece yüzey seviyesindeki olaylar olmadığını; arayüzdeki elektrik alanı ortamı tarafından yönetildiğini gösteriyor” dedi.
“Bu alanları anlayıp modelleyerek, katalizörlerin farklı pH koşullarında nasıl davranacağını tahmin edebilir ve sonuçta daha verimli ve sürdürülebilir malzemeler tasarlayabiliriz.”
Çalışma aynı zamanda geleneksel termodinamik açıklamaların ötesine geçen ileri teorik çerçeveleri de tanıtıyor. Özellikle, tersinir hidrojen elektrotu (RHE) referanslı Pourbaix diyagramı ve pH’a bağlı mikrokinetik yanardağ modeli, değişen elektrokimyasal koşullar boyunca katalitik aktivite ve stabilitenin daha doğru bir tasvirini sağlar.
Bu yeni modeller, bilim adamlarına atom ölçeğinde katalizör davranışını tahmin etmek ve optimize etmek için güçlü bir araç seti sunuyor. Deneysel verileri hesaplamalı simülasyonlarla entegre ederek, araştırmacılar artık pH değişimi reaksiyon yollarındaki ince değişikliklerin ne kadar hafif olduğunu haritalayabiliyor ve genel verimliliği belirleyebiliyor.
İleriye dönük olarak araştırma ekibi, reaksiyon koşullarını gerçek zamanlı olarak simüle etmek için moleküler dinamikleri makine öğrenimi potansiyelleriyle birleştirmeyi planlıyor. Bu yaklaşım, katalizörlerin operasyon sırasında nasıl geliştiğine dair daha derin içgörülerin kilidini açabilir ve sürdürülebilir bir enerji geleceği için yüksek performanslı malzemelerin tasarımını daha da hızlandırabilir.
