Soy metal elementleri kimyasal olarak tanımladığımızda, nemli havada oksidasyona ve korozyona direnen bir grup metalden bahsederiz. Fizikte ise soy metalleri elektronlarının d bandını doldurmuş olmasına göre tanımlarız. Dünya çapında her yıl; kimyasalların üretimi, enerji üretimi veya havanın temizlenmesi ve benzeri alanlarda milyarlarca soy metal katalizör olarak kullanılmakta. Katalizör olarak veya mücevherat gibi başka amaçlarla kullandığımız soy metaller oldukça pahalılar ve yeryüzünde ender bulunurlar.
İşte bu nedenle bilim insanları tarafından bu soy metallerin kullanımını optimize etmek için, tek metal atomlarına dayalı katalizörler geliştirildi. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden (KIT) bir araştırma ekibi, soy metallerin atomlarının belirli koşullar altında kümeler oluşturmak üzere bir araya gelebileceğini gösterdi. Bu kümeler tek tek atomlardan daha reaktiftirler ve bu nedenle egzoz gazlarını çok daha iyi uzaklaştırırlar. Çalışma Nature Catalysis dergisinde yayımlandı.
Katalizörün Geliştirilmesi
Soy metal katalizörler çok çeşitli reaksiyonlar için kullanılırlar. Örneğin, çevreyi kirleten emisyonları azaltmak için neredeyse uygulanan tüm yakma işlemlerinde uygulanırlar. Soy metal katalizörler genellikle, bir taşıyıcı malzemeye uygulanan soy metal gibi çok küçük aktif bileşen partiküllerinden oluşurlar. Bu sözde nanopartiküller, binlerce metal atomundan oluşurlar. Çalışma ile ilgili KIT’in Kimya Teknolojisi ve Polimer Kimyası Enstitüsü’nden (ITCP) Profesör Jan-Dierk Grunwaldt, “Tepkimede yalnızca dışarıdaki atomlar aktifken çoğu atom kullanılmadan kalıyor” diyor. Çalışma koşullarının değiştirilmesiyle, böyle bir katalizörün yapısı ve dolayısıyla aktivitesi değiştirilebilir. ” Bir arabanın egzoz gazı sistemindeki, bir otoyolda daha uzun bir sürüş sırasında ulaşılan yüksek sıcaklıklarda, örneğin soy metal ile taşıyıcı arasındaki etkileşim, tek atom oluşumuna, yani taşıyıcı üzerinde izole edilmiş, ayrı metal atomlarının oluşumuna yol açabilir.” diyor Grunwaldt. “Bu tür tek atomlu katalizörlerin soy metal bileşenlerinin çok yüksek bir kullanım oranına ulaşması beklenebilir, çünkü tüm atomlar teorik olarak reaksiyona katılabilir.”
Bununla birlikte, Grunwaldt ekibi, bu beklentinin aksine, Institute of Functional Interfaces of KIT’den Christof Wöll ve KIT Institute of Catalysis Research and Technology’den Felix Studt ile iş birliği yaparak, bu atomların aktif hale gelmeleri için reaksiyon koşulları altında ilk önce soy metallerin kümeler oluşturmaları gerektiğini keşfettiler. Araştırmacılar tek atomların oluşumlarını indükleyerek onları incelediler. Daha sonrasında bu katalizör sınıfı için ilk kez kullanılan son derece uzmanlaşmış spektroskopi ve teorik hesaplamaların yardımıyla, platin atomlarının neden sıklıkla düşük aktiviteye sahip olduğunu buldular. Kirletici maddeleri temizleyen katalizörler genellikle bu işlemde oksijenle reaksiyona girerler. Bu reaksiyonun gerçekleşmesi için her iki bileşenin aynı zamanda ve yerde mevcut olması gerekir. İzole edilmiş platin atomlarında ise gerekli reaksiyon için oksijen, taşıyıcı bileşene (seryum oksit) çok güçlü bir şekilde bağlıdır. Platin-seryum oksit bağlarını kırdıktan sonra, platin atomları taşıyıcı yüzey boyunca hareket edebilir. Bu nedenle platin atomları hızlı bir şekilde küçük platin kümeleri oluştururlar.
Bu çalışma sonucunda optimum aktiviteye küçük soy metal kümeleriyle ulaşıldığı görülüyor. Bu kümeleri stabilize etmek, katalizörler üretirken soy metallerin tüketimini önemli ölçüde azaltmanın anahtarı olabilir. Böylece katalizör kullanımında sürdürülebilirlik sağlanabilir.
Kaynakça:
https://www.nature.com
https://www.thoughtco.com
https://www.britannica.com
https://www.sciencedaily.com
http://www.kit.edu
