Hidrojen sızması, ismini duyduğunuzda ne anladığınızı doğru tahmin ettiğiniz bir terimdir. Küçük metal nanopartiküllerinin termal olarak kararlı silika gibi bir okside bağlandığı bir kimyasal reaksiyonu hızlandırmak için kullanılan katalizörler, hidrojen spillover’ın büyük bir örneğini oluşturur. Genellikle, bu katalitik reaksiyon reaktif ve pahalı metaller üzerinde meydana gelir, ancak bazı katalizörlerde hidrojen atomu benzeri parçacıklar, metalden okside doğru sızar. Bu hidrojen-oksit türleri hidrojen sızması olarak adlandırılır.
İlk kez 1964 yılında tanımlanan bu ilginç fenomen, son zamanlarda temiz enerji için hidrojeni kullanma potansiyeli olarak daha fazla ilgi çekmektedir. Ancak Penn State Üniversitesi’nde kimya mühendisliği ve kimya profesörü olan Bert Chandler’a göre, bu alanda yeterince ilerleme kaydedilmemiştir. Bu durumun büyük bir nedeni, araştırmacıların neredeyse 60 yıldır hidrojen sızmasını tanımlayabilmesine rağmen, bu olayı nicelendirememiş ve altında yatan mekanizmayı açıklayamamış olmalarıdır – ta ki şimdiye kadar.
Şansa ve büyük bir çabaya dayalı olarak, Chandler’ın belirttiğine göre, Penn State öncülüğündeki bir araştırma ekibi, hidrojen sızmasının nasıl ve neden meydana geldiğini keşfetmiş ve bu sürecin ilk nicel ölçümünü sunmuştur. Bulgularını Nature Catalysis dergisinde yayınladılar.
Chandler, bu çalışmanın hidrojen aktivasyonunu ve depolanmasını daha iyi anlama ve geliştirme fırsatı sunduğunu ifade etmektedir. Geleneksel hidrojen depolama, hidrojenin sıvı halde kalabilmesi için önemli miktarda enerji gerektirir.
Ancak araştırma ekibi, benzersiz altın-üzeri-titanya sistemleri ile hidrojen moleküllerini hidrojen atomlarına ayırmak için gereken işlemi daha yüksek sıcaklıklarda ve daha az enerji kullanarak etkili bir şekilde ve geri dönüşümlü olarak gerçekleştirebildiklerini göstermiştir.
Makaledeki baş yazarı olan Chandler, “Şimdi hidrojen sızmasının nasıl çalıştığını, neden çalıştığını ve neyin ittiğini açıklayabiliyoruz,” diyor. “Ve ilk kez ölçebildik – bu çok önemli. Bir kez nicelendirdiğinizde, nasıl değiştiğini görebilir, nasıl kontrol edeceğinizi ve yeni sorunlara nasıl uygulayabileceğinizi anlayabilirsiniz.”
Hidrojen sızma sistemlerinde, hidrojen gazı hidrojen atomu eşdeğerlerine bölünmek üzere tepkimeye girer – bir proton ve bir elektron, ancak tipik düzenlemelerinden biraz farklı bir yapıda. Bu sistemde, protonlar malzemenin yüzeyine yapışırken elektronlar yarıiletken oksidin yakın yüzey iletim bandına girer.
Araştırmacılar, bu atomları temiz yakıt ve hidrojen depolama gibi daha gelişmiş kimya uygulamaları için kullanmayı umuyorlar.
Chandler, “Yarıiletken parçası önemlidir çünkü hidrojen atomu eşdeğerleri yüzeyde protonlarına ve alt yüzeydeki elektronlarına sahiptirler – hala birbirlerine yakınlar, ancak yüzeysel iletken bir yüzey ile ayrılmıştırlar,” açıklamasıyla bu küçük ayrımın genellikle yük ayrılması için gereken büyük enerji cezasını önlediğini ifade ediyor.
Entropi, bir işlemi ilerletmek için gereken kullanılamaz termal enerjiyi temsil eder. Yani, entropi enerjinin alt durumlara dağıldığıdır, bu da enerjinin, örneğin buzun suya dönüşmesi gibi, molekülleri katı bir durumda tutmak için kullanılabilir enerjinin kullanılamaz hale gelmesi anlamına gelir. Chandler, enerjilerin dengede olması gerektiğini ve bu tür sistemlerde entropinin katkısını ölçmenin neredeyse imkansız olduğunu belirtiyor.
Hidrojen sızması ilk kez 1964 yılında tungsten oksit üzerine platin ile keşfedildi ve o zamandan beri farklı sistemlerde gözlemlendi.
Chandler, “Son zamanlara kadar, araştırmacılar hidrojen atomu eşdeğerlerinin nanopartikül tabakasına güçlü bir şekilde bağlandığını ve bu bağları kırmak ve daha fazla sızmayı üretmek için daha fazla termal enerjiye ihtiyaç duyduğunu düşünüyorlardı,” diyor. Ancak hidrojen sızdırmayı kolaylaştıran sistemlerin çoğu karmaşıktır, çünkü sızmalarda hem nanopartikül hem de yarıiletken oksit alttabanına olan bağlantıların kuvveti değişebilir. Chandler, bunu “köpük adsorpsiyonu” olarak adlandırıyor ve gerçek adsorpsiyonu maskeleyen ve sızmanın neyin sürdüğünü gizleyen bulanık, yapışkan bir bağlanma şekli olarak tanımlıyor.
Chandler, “Sızmanın adsorpsiyonunu farklı bir sistemde nasıl ölçeceğimizi bulduk: altın üzerine titanyum oksit,” dedi ve altının hidrojeni diğer birçok metalden farklı şekilde katalize ettiğini belirtti. “Altın, hidrojenle bir reaksiyon başlatmak için neredeyse hiç termal enerji gerektirmez ve yalnızca titanyum oksit alttabanı ile temas noktasında bu reaksiyonu aktive eder. Bu, hiçbir hidrojenin altına yapışmadığı anlamına gelir, bu nedenle tüm sızlama, altın üzerinde hiçbir köpük bırakmadan alttabana gider ve nicelendirebiliriz.”
Köpüksüz olarak, araştırmacılar adsorpsiyonun zayıf olduğunu fark ettiler – bu, “herkesin bildiği şeye aykırıydı” dedi Chandler. Termal enerjiyi önemli bir değişken olarak kullanmadan, araştırmacılar sadece entropinin atomları altından alttabana sürüklediğini belirlediler.
Chandler, “Sistem seçimimizle gerçekten şanslı olduk, çünkü altının katalizör olarak nasıl çalıştığını zaten merak ediyorduk,” dedi ve önceki araştırmacıların oksit üzerindeki zayıf adsorpsiyon nedeniyle ne kadar adsorbe olduğunu doğru bir şekilde ölçebildiklerini söyledi. “Yeni kimya icat etmedik; sadece verileri topladık. İstisnai bir iddia yapıyorsanız, istisnai kanıtlarınız olmalıdır, ama bu anlayışımızdaki bir boşluğu doldurduk: entropi hidrojen sızmasını sürüklüyor.”
Araştırmacılar, daha iyi hidrojen depolama oluşturabilecek malzeme türlerini incelemeyi planladıklarını söylediler. Chandler’a göre, bu çalışma temiz enerji geliştirmeye bir adım atmış ve bilimsel sürecin nasıl çalıştığının etkileyici bir örneğidir.
“Bilim, kendini düzeltme sürecidir – mantıklı gelmeyen bir şey bulursanız, onu çözmek için çalışırsınız,” dedi Chandler. “Sızma hakkında uzun zamandır biliniyor, ama kimse bunu nicelendirmek ve anlamak için doğru sistemi bulamamıştı. Verileri topladık ve bu olguyu açıklamanın yolunu bulduk. Ortaya çıktığı gibi, kullandığımız enerji dengesi her zaman açık değil ve entropi beklenmeyen şeyleri sürükleyebilir.”
Kaynak
https://phys.org/news/2023-09-gold-molecular-mystery-solution-potential.html
Yorumlar