Alimlər Yanacaq Elementlərini Daha Ucuz və Güclü Edə Biləcək Gizli Qanunauyğunluğu Aşkar Ediblər

Alimlər Yanacaq Elementlərini Daha Ucuz və Güclü Edə Biləcək Gizli Qanunauyğunluğu Aşkar Ediblər

Yeni araşdırma göstərib ki, iki atomlu katalizatorlar alimlərin indiyədək düşündüyündən tamamilə fərqli prinsiplə işləyir. Kəşf katalizatorların məhsuldarlığını proqnozlaşdırmaq üçün uzun illər istifadə olunan modeli şübhə altına alır.

Onilliklərdir alimlər daha səmərəli katalizatorlar hazırlamaq üçün sadə bir prinsipə əsaslanırdılar: katalizatorun ən yüksək məhsuldarlıq göstərdiyi yeganə "optimal nöqtə" mövcuddur.

Lakin yeni araşdırma göstərir ki, hidrogen yanacaq elementlərinin maya dəyərini azaltmağa kömək edə biləcək perspektivli materiallar sinfi üçün bu fərziyyə həmişə doğru olmaya bilər.

Tohoku Universitetinin Qabaqcıl Materiallar Tədqiqat İnstitutunun (AIMR) alimləri iki atomlu katalizatorların niyə çox vaxt tək atomlu analoqlarından daha yüksək məhsuldarlıq göstərdiyini izah edən yeni katalizator layihələndirmə prinsipini müəyyən ediblər.

"İkili Sabatye optimumları" (dual-Sabatier optima) adlandırılan, əvvəllər məlum olmayan bu qanunauyğunluğun aşkar edilməsi katalizator elminin uzun illərdir qəbul edilən nəzəri çərçivəsinə meydan oxuyur və təmiz enerji texnologiyaları üçün daha ucuz və daha səmərəli materialların hazırlanmasını sürətləndirə bilər.

Niyə bu kəşf vacibdir?

Yanacaq elementləri hidrogendən istifadə etməklə zərərli emissiyalar yaratmadan elektrik enerjisi istehsal etdiyinə görə aşağı karbon emissiyalı cəmiyyətin qurulması üçün perspektivli texnologiya hesab olunur.

Lakin bu sistemlərin əksəriyyəti hələ də performansa və maya dəyərinə birbaşa təsir göstərən əsas proseslərdən biri olan oksigenin reduksiya reaksiyasını (ORR) həyata keçirmək üçün platin də daxil olmaqla bahalı qiymətli metallardan asılıdır. Bu səbəbdən alimlər onları əvəz edə biləcək atom səviyyəsində paylanmış katalizatorlar üzərində araşdırmalar aparırlar.

Tək atomlu katalizatorlar ayrı-ayrı metal atomlarından istifadə etdiyi halda, iki atomlu katalizatorlar (DAC) birlikdə fəaliyyət göstərən iki atomdan ibarətdir. Eksperimentlər dəfələrlə göstərsə də ki, iki atomlu katalizatorlar daha yüksək məhsuldarlıq nümayiş etdirir, bunun səbəbi indiyədək tam məlum deyildi.

İki atomlu katalizatorlar niyə daha səmərəlidir?

İndiyədək katalizatorların aktivliyi "tək zirvəli vulkan" modeli ilə izah olunurdu. Bu modelə əsasən, ən yaxşı katalizatorlar kimyəvi xüsusiyyətlərin dar diapazonunda yerləşən yeganə optimal nöqtədə ən yüksək məhsuldarlıq göstərir. Lakin tədqiqatçılar Digital Catalysis Platform (DigCat) platformasında toplanmış geniş eksperimental məlumatları təhlil edərkən müəyyən ediblər ki, iki atomlu katalizatorlar bu gözlənilən qanunauyğunluğa uyğun gəlmir. Daha sonra komanda 200-dən çox iki atomlu katalizatoru qabaqcıl nəzəri simulyasiyalar, mikrokinetik modelləşdirmə və maşın öyrənməsi vasitəsilə araşdırıb. Nəticələr göstərib ki, iki atomlu katalizatorların işi əsasən dissosiativ mexanizm adlanan reaksiya yolu ilə idarə olunur. Halbuki tək atomlu katalizatorlarda adətən assosiativ mexanizm üstünlük təşkil edir.

"İkili Sabatye optimumları" aşkar edilib

Bu fərq katalizatorun aktivliyinin dəyişmə xarakterinə də ciddi təsir göstərir. Araşdırma göstərib ki, iki atomlu katalizatorlarda yalnız bir optimal məhsuldarlıq nöqtəsi yoxdur. Əksinə, onlar iki ayrı optimal fəaliyyət sahəsi nümayiş etdirirlər. Tədqiqatçılar bu yeni qanunauyğunluğu "ikili Sabatye optimumları" (dual-Sabatier optima) adlandırırlar. Bu iki maksimum reaksiya zamanı sürəti məhdudlaşdıran mərhələnin oksigenin dissosiasiyası, oksigenin protonlaşması və hidroksil qrupunun protonlaşması arasında dəyişməsi nəticəsində yaranır.

Yeni prinsip bir çox katalizator növünə şamil olunur

Alimlər müəyyən ediblər ki, bu prinsip yalnız müəyyən katalizatorlarla məhdudlaşmır. O, keçid metalları, metalloid elementlər və hətta qeyri-metal atomlardan ibarət sistemlər də daxil olmaqla çoxsaylı katalizator növlərində müşahidə olunur. Tədqiqatçılar izah oluna bilən maşın öyrənməsi metodlarını nəzəri modellərlə birləşdirərək perspektivli katalizator strukturlarını sürətlə və yüksək dəqiqliklə müəyyən edə bilən proqnozlaşdırma modeli hazırlayıblar.
Tohoku Universitetinin Qabaqcıl Materiallar Tədqiqat İnstitutunun (WPI-AIMR) görkəmli professoru Hao Li bildirib: "Bu kəşf katalizatorların layihələndirilməsinə yanaşma tərzimizi dəyişir. Uzun illər tədqiqatçılar hesab edirdilər ki, iki atomlu katalizatorlar da tək atomlu katalizatorlarla eyni aktivlik qanunlarına tabedir. Araşdırmamız göstərdi ki, iki atom birlikdə işlədikdə tamamilə fərqli mexanizmlər meydana çıxa bilər. Bu isə təmiz enerji texnologiyaları üçün yüksək səmərəli materialların hazırlanması baxımından yeni imkanlar açır."

Mənbə:scitechdaily.com