Temiz enerji ve tarım için metanın hidrojene dönüştürülmesi çok önemlidir. Bu reaksiyon su ve kataliz gerektirir. Science'ta yayımlandığı gibi, EPFL araştırmacıları su molekülünün spesifik titreşimlerini kontrol etmek için reaksiyonun verimini etkileyen yeni bir lazer yaklaşımını kullandılar.


324x182Doğalgaz (metan) temiz enerjide, sentetik gübrelerde ve diğer birçok kimyasalda kullanılan hidrojene (H2) dönüştürülebilir. Bu dönüşüm reaksiyonu su ve nikel katalizörü gerektirir. Metan ve su molekülleri, atomik parçalarına ayrıldıkları katalizör yüzeyine yapışırlar. Bunlar daha sonra yeniden birleşerek H2 ve CO gibi değişik maddeler meydana getirirler. Daha önceki araştırmalar özellikle metanın nasıl ayrıştığı üzerine yoğunlaşmıştı, fakat deneysel zorluklar suyun ayrışması üzerine olan araştırmaları sınırlandırıyordu. Science'ta yayımlandığı gibi, EPFL araştırmacıları ilk kez su moleküllerinin titreşiminin onların ayrışma kabiliyetini nasıl etkilediğini belirlemek için lazerden faydalandı. Bu deney sonuçları gelecekteki katalizörlerin tasarımını etkileyebilecek olan suyun ayrışmasının teorik modellerini optimize etmek için kullanıldı (New Mexico Üniversitesi).

Metan, temiz yakıt ve sentetik gübrelerde kullanılan amonyağın ham maddesi olan hidrojeni üretmek için genellikle endüstriyel çapta kullanılmaktadır. Bu proses, metan gazının suyla tepkimesini içerdiği için genellikle 'buhar reformasyonu' olarak anılır. Reaksiyon için moleküllerin verimli bir şekilde ayrışıp tekrar birleşmesini sağlayacak metal bir kataliz gerekir. Ama metanın ayrışması onlarca yıldır incelenirken su moleküllerinin ayrışması anlaşılmaz kalmıştır.

Lazerlerle ince ayarlı titreşimler

EPFL'deki Rainer Beck takımı suyun ayrışmasının büyük ölçüde hidrojen ve oksijen atomları arasındaki titreşimlere bağlı olduğunu gösterdi. Bir su molekülünde, iki hidrojen atomu bir makas gibi titreşebilir, birlikte (simetrik esneme) veya aksi yönde (asimetrik esneme) ileri-geri esneyebilir. Beck diyor ki "Oksijen ve hidrojen atomları arasındaki bu 'esnemeler' suyun kataliz üzerinde ne kadar kolay veya ne kadar zor ayrışacağında büyük rol oynar."

Değişik tiplerdeki titreşimleri kontrol etmek, bir su molekülünü ortalama koşullarda ayrıştırabilmenin anahtarıdır. Takım, kataliz olarak nikel kullanarak –genellikle buhar reformasyonunda nikel kulanılır- su moleküllerinin nasıl hareketlendiğini lazerlerle tam olarak ölçtü. "Eğer sistemi, örneğin bir kıvılcımla ısıtırsanız bütün serbestlik derecelerini aynı anda uyarmış olursunuz." diye açıklıyor Beck. "Aynı zamanda onun kinetik enerjisini de artırmış olursunuz ve bütün su moleküleri daha yüksek hızlarla kataliz yüzeyine çarparlar ama atomların her bir titreşimi üzerinde hiçbir kontrol sağlayamazsınız. Lazer, belli bir tipteki titreşimi uyararak bir andaki tek enerji düzeyini ölçmemizi sağlıyor."

Veriler gösteriyor ki bir su molekünün hidrojen ve oksijen atomları arasındaki titreşimlerin esneme derecesi, onun katalizle reaksiyona girip ayrışma kabiliyetini belirliyor. Bunun nedeni lazerin su moleküllerine enerji ekleyerek titreşimleri kataliz yüzeyindeki ayrılma noktasına çıkarması. Su moleküllerinin reaksiyona girmeye hazır olduğu bu noktaya "geçiş evresi" denir. "İdealde, yapıyı geçiş evresine doğru getirerek molekülerin yüzeye çarpmadan önce deforme olmasını istiyoruz." diyor Beck. "Bu nedenle lazerle seçilmiş titreşimler bütün sistemi ısıtmaktan daha verimli: Su moleküllerinin bağlarını koparmak için nereye gerekiyorsa oraya enerji ekliyoruz."

Deneyden Teoriye Geçiş

Bu eşi benzeri görülmemiş belirli tipteki titreşimleri uyarma gücü, New Mexico Üniversitesi kuramcılarına atomlar ve nikel kataliz yüzeyi arasındaki bütün kuvvetleri hesaplama ve her bir titreşimle kataliz yüzeyine çarpan atomlara ne olduğunun simülasyonunu yapma imkanı verdi. Bu deneysel ölçümler olmasaydı böyle hesaplamalar kesinlikten yoksun olacaklardı.

"Bizim verilerimizle, kuramcılar kesinlikten çok uzak olan modellerini bir andaki tek titreşimin deneysel verisiyle karşılaştırabilirler." diyor Beck. " Bu, su ve metan dışında verilen yüzeyle reaksiyona giren diğer moleküllerin nasıl ayrışacağını öngören modellerin optimizasyonuna izin veriyor. Bizim, durumu çözen deneyimiz öngörücü teorilere rehberlik eder nitelikte."

Bu teorik modellerin optimizasyonu, aynı zamanda, endüstriyel ve ticari kimyasal reaksiyonlar için kullanılan bir dizi katalizin daha hızlı ve verimli bir şekilde gelişmesini sağlar. Beck'in açıkladığı gibi: " Mesela kataliz atomları arasındaki boşlukları değiştirmek veya yüzeyinin yapısını değiştirmek için bir bilgisayar modeli kullanabilirsiniz. Bu iyi bir kataliz bulmak için deneme-yanılma yapmaktan daha ucuz ve daha verimli bir yoldur; fakat teorik modellere güvenebilmek için bu bilgilerle onları test etmemiz gerekir."

Bu çalışma, EPFL Moleküler Fizikokimya Laboratuarı (MFKL) ve New Mexico Üniversitesi Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümü arasındaki iş birliğini temsil eder.

Kaynak:Hundt PM, Jiang B, van Reijzen ME, Guo H, Beck RD. Vibrationally Promoted Dissociation of Water on Ni(111). Science 2 May 2014: Vol. 344 no. 6183 pp. 504-507 DOI: 10.1126/science.1251277

İngilizce orjinal metin için: http://actu.epfl.ch/news/controlling-molecular-vibrations-to-produce-hydrog/

Yazar: Nik Papageorgiou
Türkçeye çeviren: Begüm Günerden

Siz de KimyaMuhendisi.com Çeviri Ekibi'ne Katılın

 


Yorum eklemek için üye girişi yapmalısınız.