Bir araştırmacı ekibi, yaygın ve düşük maliyetli bir malzeme olan kurşun dioksit (PbO₂) kullanarak propilenden değerli endüstriyel kimyasallar üretmenin yeni bir yolunu keşfetti.
Bulguları, katalizörün içindeki oksijen atomlarının kimyasal reaksiyonda doğrudan ve aktif bir rol oynadığını ortaya koyuyor. Bu keşif, plastik, giyim elyafı ve yalıtım köpükleri gibi günlük kullanılan malzemeler için temel bileşenlerin üretilmesine yönelik daha sürdürülebilir ve uygun fiyatlı yöntemlerin kapısını açıyor.
Bulguların ayrıntıları dergide yayınlandı Kataliz Bilimi ve Teknolojisi.
Çalışmayı yöneten Tohoku Üniversitesi İleri Malzeme Araştırmaları Enstitüsü’nden (WPI-AIMR) profesör Hao Li, “Geleneksel olarak propilenin oksidasyonu, platin ve paladyum gibi soy metallere, yani ekstraksiyonu büyük bir ayak izi bırakan nadir ve pahalı metallere dayanır” diye belirtiyor.
“Ayrıca, mevcut endüstriyel oksidasyon süreçlerinde genellikle klor veya peroksitler gibi tehlikeli oksidanlar kullanılıyor ve bu da ciddi güvenlik ve atık imha zorlukları yaratıyor.”
Li ve ekibi daha güvenli ve daha yeşil bir alternatif bulmak için yola çıktı. Araştırmaları, asal olmayan bir metal oksit olan kurşun dioksitin, elektrikle çalıştırıldığında propilenin oksidasyonunu etkili bir şekilde katalize edebildiğini gösteriyor. Reaksiyon için gereken oksijen, harici oksidanlara güvenmek yerine doğrudan PbO₂ katalizörünün kristal kafesinden gelir.
Süreç, depolanan gücü ödünç veren ve daha sonra kendini yeniden dolduran şarj edilebilir bir pil gibi çalışır. Burada katalizör, reaksiyonu yürütmek için yapısından oksijen atomlarını “ödünç verir” ve daha sonra sistemdeki sudan taze oksijen çekerek “yeniden şarj olur”. Bu yerleşik geri dönüşüm döngüsü, reaksiyonun tehlikeli kimyasallara ihtiyaç duymadan verimli ve temiz bir şekilde çalışmasını sağlar.
Araştırmacılar, kimyasal süreçleri meydana gelirken gözlemlemelerine olanak tanıyan gelişmiş “yerinde” teknikleri kullanarak bu benzersiz mekanizmayı doğruladılar. Elektrokimyasal zayıflatılmış toplam yansıma Fourier dönüşümü kızılötesi (ATR-FTIR) spektroskopisi aracılığıyla, katalizörün yüzeyinde oluşan anahtar reaksiyon ara maddelerini belirlediler.
Aynı zamanda, diferansiyel elektrokimyasal kütle spektrometresi (DEMS), kafes oksijeninin oksidasyon reaksiyonuna aktif olarak katıldığına dair doğrudan kanıt sağladı.
Li, “Amacımız asil olmayan metallerin asil metallerle aynı kimyayı, ancak daha sürdürülebilir bir şekilde nasıl yapabildiğini anlamaktı” diye ekliyor. “Kafes oksijeninin aktif bir rol oynadığını göstererek, hem verimli hem de çevre dostu katalizörler tasarlamak için yeni olanaklar açtık.”
Bu çalışma yeni bir reaksiyon mekanizmasını kanıtlamaktan fazlasını yapıyor; aynı zamanda bilim adamlarının yıllardır önerdiği ancak deneysel olarak doğrulamakta zorlandığı teorik tahminleri de doğruluyor. Ekip, en son teknikleri reaksiyon koşullarının dikkatli kontrolüyle birleştirerek, elektrokimyasal oksidasyon sırasında oksijen boşlukları ve kafes oksijeninin nasıl etkileşime girdiğine dair net bir resim sağladı.
Araştırmacılar ileriye dönük olarak katalizör tasarımlarında ince ayar yapmayı planlıyor. Kurşun dioksitin elektronik yapısını doping ve oksijen-boşluk mühendisliği yoluyla değiştirmeyi, farklı metallerin ve boşluk seviyelerinin reaksiyonun verimliliğini ve seçiciliğini nasıl etkilediğini keşfetmeyi amaçlıyorlar.
Bu çalışmadan elde edilen tüm deneysel ve hesaplamalı verilere, dünya çapında açık bilimsel işbirliğini ve katalizör tasarımını desteklemek için Hao Li Laboratuvarı tarafından geliştirilen, halka açık bir veritabanı olan Dijital Kataliz Platformu aracılığıyla ulaşılabilir.
