Tek atomlu katalizörlerde rutenyumdan daha iyi yararlanmanın yeni bir yolu

Rutenyum (Ru), birçok endüstriyel proseste kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için katalizörlerde kullanılan değerli bir metaldir. Verimliliği artırmaya ve kimyasal üretimi için gereken enerjiyi azaltmaya yardımcı olabilir. Ancak nadir ve pahalı olması nedeniyle bilim insanları bundan daha iyi yararlanmanın yollarını arıyor.

Umut verici bir yaklaşım, daha büyük metal parçacıkları yerine tek tek rutenyum atomlarının kullanılması, böylece daha fazla metalin kimyasal reaksiyonlara katılmasına izin verilmesidir. Ancak zorluk, bu atomların büyük sayılarını tek bir katalizöre dahil etmenin bir yolunu bulmaktır.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için Tohoku Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, Tsukuba Üniversitesi, Kyoto Üniversitesi ve Osaka Üniversitesi ile birlikte çalışarak rutenyum tek atomlu katalizörler üretmek için yeni bir yöntem geliştirdiler. Dayanıklı, son derece seçici katalizör, zararlı karbondioksiti (CO₂) birçok endüstri için değerli bir hammadde olan formik asite dönüştürebilir.

Bulgular şu adreste yayınlandı: Angewandte Chemie Uluslararası Sürümü.

Rutenyum atomlarını ayrı tutmak

Tohoku Üniversitesi İleri Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden (WPI-AIMR) Doçent Takeharu Yoshii, “Tek atomlu katalizörler, kimyasal reaksiyonlarda daha fazla atomun yer almasına izin vererek değerli metallerden daha iyi yararlanabilir” diye açıklıyor.

“Ancak büyük miktarlarda rutenyum kullanıldığında atomlar birbirine yapışma eğilimi gösterir, bu da onları ayrı tutmayı zorlaştırır. Bireysel rutenyum atomlarını yüksek konsantrasyonlarda bile bir karbon malzeme içinde yerinde tutmanın yeni bir yolunu geliştirdik.”

Katalizörü oluşturmak için araştırmacılar, daha önceki yöntemlerde kullanılanlardan daha esnek bir yapıya sahip moleküller tasarladılar ve bu sayede rutenyum atomlarını daha iyi barındırabildiler. Ekip daha sonra düzenli, gözenekli bir karbon malzemesi oluşturmak için bunları ısıttı. Bu yöntemi kullanarak, geleneksel rutenyum tek atomlu katalizörlerdeki tipik olarak %2’den az olan rutenyum içeriğine kıyasla, ağırlıkça %11’e kadar bir rutenyum içeriği elde ettiler.

Tekrarlanan kullanım sayesinde yüksek seçicilik

Araştırmacılar ayrıca yeni katalizörün CO₂’yi formik asite ne kadar iyi dönüştürebildiğini de test etti. %99’un üzerinde seçiciliğe ulaştı, bu da çok az sayıda istenmeyen yan ürünün oluştuğu anlamına geliyor. Tekrarlanan kullanımdan sonra bile katalizör, metal atomlarının bir araya toplandığı veya karbon yapısına zarar verdiğine dair hiçbir belirti olmadan yüksek performansını korudu.

Bu yöntem, araştırmacıların sınırlı metal kaynaklarını daha iyi kullanırken daha verimli katalizörler geliştirmelerine yardımcı olabilir. Ekip, bu bulgulara dayanarak aynı yaklaşımın platin, paladyum ve iridyum gibi diğer değerli metaller için de kullanılıp kullanılamayacağını araştırmayı planlıyor.