Bakır’ın birçok kullanımı vardır – elektrik kabloları, sıhhi tesisat ve hatta madeni paralarda. Bolluğu ve nispeten düşük fiyat etiketi ile bakır, kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için uzun zamandır bir katalizör olarak kullanılmıştır – özellikle su ve karbondioksit elektrolizi, burada bakırın yakıt üretmek için elektrik kullanmak için bir elektrot ve katalizör görevi görür.
Sorun şu ki, sıradan bakır en dayanıklı katalizör değil, bu yüzden araştırmacılar bunu geliştirmenin yollarını arıyorlar. Bir yaklaşım onu oksitlemektir, bu da esasen paslanma demiriyle aynıdır. 1970’lerde kimyager Marcel Pourbaix, özellikle dayanıklı yüksek oksitlenmiş bakır formlarının var olduğunu teorize etti. Araştırmacılar o zamandan beri bu formları avlıyorlar.
Sonunda, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, ileri hesaplama yöntemleri ve son teknoloji deneysel teknikler aracılığıyla bu zor bakır biçimini buldu.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab), Stanford Üniversitesi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley ve Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı’ndan araştırmacılar, Sıvı Güneş Işığı İttifakı’nın (LISA), güneş enerjisi yenilik hub’ından bir DOE yakıt.
Yayınlandı Amerikan Kimya Derneği Dergisibulguları bu özel bakır formunun en kararlı olduğunu, daha dayanıklı bakır katalizörleri yapmanın yolunu açarak haritalıyor.
Bu malzemeyi – özellikle, kimyasal formül cuoOH ile bir tür bakır hidroksit – üretmek için araştırmacılar, bir elektrolit banyosuna batırılmış bakır elektrotlara elektrik uyguladılar.
Ancak kesin elektrik voltajı, asitlik ve dikkate alınması gereken diğer birçok değişkenle, bu bakır bileşiğini üretme ve tanımlamak sadece sistemi açma meselesi değildi. Bu meydan okumayı ele almak için, ortak lider yazar ve SLAC ve Suncat Arayüz Bilimi ve Kataliz Doktora Sonrası Pooja Basera, peşinde oldukları bakır bileşik türlerini üretebileceklerini tahmin etmek için güçlü hesaplama yöntemleri kullandı.
Berkeley Lab’daki Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgisayar Merkezi’nde (NERSC) bir süper bilgisayar yardımıyla, tam da bunu yaptılar. Basera, “Pourbaix’in hipoteziyle çok iyi eşleşti.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu bakır biçimini nerede bulabileceğimizi tespit edebildiğimiz için heyecanlıydık.”
Ekip daha sonra bu tahminleri test etmek için SLAC’da Stanford Synchrotron Radyasyon Lightource’un (SSRL’ler) parlak röntgenlerine döndü. Katalitik reaksiyonlar katalizörün ilk birkaç atomik tabakasında gerçekleştiğinden, oksitlenmiş bakır bileşiklerinin oluşumunu ayrıntılı olarak yakalamak için çalışma koşulları altında yüzey reaksiyonlarına duyarlı tekniklere ihtiyaç duyuyorlardı.
Yeni bir teknik bu hassasiyete sahiptir. SSRL ve Berkeley laboratuvar araştırmacıları tarafından geliştirilen modülasyon uyarımı X-ışını absorpsiyon spektroskopisi, örneği X-ışınları ile problama yaparken, bakır elektrotlarda “yapısal parmak izlerini” ortaya çıkarırken elektrik darbelerini hızlı oranlarda açar ve kapatır.
Bir SSRL personel bilimcisi Angel T. Garcia-ESPARZA, “Hesaplamalarla tahmin edildiği gibi, daha önce görmediğimiz yeni bir bakır spektral imza” dedi.
Ekip ayrıca bulmacanın bir başka önemli parçasını da anlamak istedi: bu bakır bileşiğinin nasıl oluşması. Doktora sonrası araştırmacı Yang Zhao ve Berkeley Lab’da kıdemli bilim adamı Shannon Boettcher, başka bir özel teknik olan operando Raman spektroskopisi kullandı. Atomlar arasındaki bağların nasıl titreştiğini ölçmek için numuneye görünür ışık parladılar. Bu moleküler titreşimler, farklı kimyasal türlerin tanımlanmasına yardımcı olan parmak izleri gibi davranır.
Voltaj yüksek bir seviyeye yükseldikçe – bakır çalışmalarda tipik olarak kullanılanın ötesinde – yeni bir sinyal ortaya çıktı. Bu sinyal, bakırın bir cuoOH aşamasına dönüştüğüne dair güçlü kanıtlar sağlayarak hesaplama tahminleriyle eşleşti.
SLAC personeli bilim adamı ve bu çalışmanın baş yazarı Michal Bajdich, bu hesaplamalar ve parmak izleri, doğru formda bakırın daha yüksek çalışma voltajlarına dayanabileceğini, dayanıklılığını artırabileceğini gösteriyor.
Bakır katalizörlerinin dayanıklılığını arttırmak, elektrokimyasal su bölünmesinde önemli etkilere sahiptir, su oksijen ve hidrojen içine bölme işlemi, toplum toplumunun ihtiyaç duyduğu yakıtların ihtiyaç duyduğu, özellikle diğer kaynaklar yerine güneşten gelen enerji kullanılırsa, daha uygun maliyetli, daha az enerji yoğun bir şekilde yaratılmasına yardımcı olabilir.
Bakır şimdi sadece negatif yüklü su bölme elektrotunda kullanılırken, sonuçlar hem negatif hem de pozitif yüklü elektrotlar için bakır kullanmanın kapısını açar, böylece şimdi kullanılan daha pahalı ve kıt malzemelerin yerini alır.
Ortak araştırmacı ve SSRL kıdemli bilim adamı Dimosthenis Sokaras, ileri hesaplama yeteneklerinin SLAC’da geliştirdiğimiz en yeni tekniklerle birleşimi, zor katalitik durumları ortaya çıkarmamızı sağlıyor. Bu tür temel çalışmalar yeni veya ortaya çıkan kimyasal dönüşüm teknolojilerinin kurulmasına katkıda bulunur.
Bakır’ın gizemini çözen ekip, yaklaşımlarının, sadece su bölünmesi için değil, diğer endüstriyel olarak alakalı kimyasal reaksiyonlar için daha kararlı, dayanıklı katalizörler tasarlama hedefi ile diğer katalitik materyallerin daha yüksek oksidasyon durumlarını bulmaya yardımcı olabileceğini söyledi.
