TU Wien’deki Malzeme Kimyası Enstitüsü’nde Profesör Dominik Eder liderliğindeki bir araştırma ekibi, (foto)elektrokatalitik su ayrıştırma için dayanıklı, iletken ve katalitik olarak aktif hibrit çerçeve malzemeleri oluşturmak üzere yeni bir sentetik yaklaşım geliştirdi. Çalışma Nature Communications’da yayınlandı .
Hidrojen gibi sürdürülebilir enerji taşıyıcıları için teknolojilerin geliştirilmesi esastır. Hidrojen (H 2 ) üretmenin umut verici bir yolu, suyun elektrokimyasal olarak veya ışık kullanılarak veya her ikisiyle H 2 ve oksijene (O 2 ) ayrılmasıdır ; bu, ekibin izlediği bir yoldur. Ancak, bu işlem, tüketilmeden reaksiyonu hızlandıran bir katalizör gerektirir. Bir katalizör için temel kriterler arasında, su moleküllerinin adsorpsiyonu ve parçalanması için geniş bir yüzey alanı ve uzun süreli kullanım için dayanıklılık yer alır.
Zeolitik imidazolat çerçeveleri (ZIF’ler), moleküler arayüzlere ve çok sayıda gözeneklere sahip bir hibrit organik/inorganik malzeme sınıfıdır ve katalizör olarak su için rekor yüzey alanları ve geniş adsorpsiyon alanları sunar. Koordinasyon bağları adı verilen bağlardan ligand adı verilen belirli organik moleküllerle bağlanan kobalt iyonları gibi tek metal iyonlarından oluşurlar.
Geleneksel ZIF’ler yalnızca tek bir tür organik ligand içerir.”Bu ZIF’ler genellikle elektrokimyasal koşullar altında suda uzun vadeli uygulamayı garantilemek için stabilite eksikliğine sahiptir. Dahası, oldukça düşük elektronik iletkenlikleri de elektrokimyasal uygulamalardaki etkinliklerini sınırlar,” diyor Eder.Bu zorlukların üstesinden gelmek için ekip, iki veya daha fazla organik ligand kullanarak ZIF’leri tasarlamak için bir yol geliştirdi.
Çalışmanın baş yazarı Zheao Huang, “Orijinal ZIF yapısını korurken, çerçeve boyunca tekdüze bir dağılım yaratacak şekilde her iki ligandı da karıştırmaya dikkat etmemiz gerekiyordu” diye açıklıyor. Bu nedenle ekip, bir dizi ligand kombinasyonunu ve işlem parametresini kapsamlı bir şekilde araştırdı ve sonunda en uygun ligand çiftini belirleyebildi.
İki organik ligandın karıştırılmasının sinerjik faydalarıYazarlar, bu modifikasyonun ZIF kararlılığını önemli ölçüde iyileştirdiğini, elektrokimyasal su ayrıştırma sırasında dayanıklılığını birkaç dakikadan en az bir güne çıkardığını buldular.
Central China Normal Üniversitesi ile işbirliği içinde hesaplamalı teoriyle desteklenen, çok çeşitli deneysel spektroskopik ve mikroskobik teknikler kullanılarak yapılan derinlemesine araştırmalar sonucunda ekip, iki ligandın hassas bir şekilde karıştırılmasının kobalt metaliyle koordinasyon bağını sinerjik olarak güçlendirdiğini gözlemledi. Sonuç olarak, gözenekli çerçeve (foto)elektrokatalitik testler sırasında çökmedi.Huang,
“Bunun yerine, reaksiyonun başlamasından sadece birkaç dakika sonra, kobalt oksihidroksitten oluşan, sadece birkaç nanometrelik çok ince bir filmin ZIF nanopartiküllerinin yüzeyinde oluştuğunu ve bunun daha fazla bozulmayı ve çökmeyi önlediğini gözlemledik” diyor.Ayrıca, iki ligandın kombinasyonu ZIF malzemesinin iletkenliğini 10 kat artırarak oksijen çıkış reaksiyonu (OER) hızını da 10 kat arttırmıştır.”Simülasyonlar, iki ligandın sinerjik bir şekilde etkileşime girdiğini ve malzeme boyunca yüksek yoğunlukta hareketli yük taşıyıcıları oluşturduğunu ortaya koydu,” diye açıklıyor Eder.
“Bu yeni stratejiyle bazı iyileştirmeler beklesek de, ZIF’lerin (foto)elektrokatalitik performansını ne kadar artırdığına şaşırdık.”Ekip şimdi bu çok yönlü yaklaşımı, elektro-katalitik ve (foto)elektro-katalitik uygulamalarda kararlılık ve iletkenlikten yoksun olan diğer ZIF’lerin yanı sıra metal-organik çerçeveler (MOF’lar) için de araştırıyor. Bu yenilikçi yaklaşım, kataliz, algılama ve güneş enerjisi dönüşüm teknolojileri için gelişmiş malzemeler tasarlamak için heyecan verici olanaklar sunuyor ve bizi gerçek dünya uygulamalarına daha da yaklaştırıyor.
Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsin.