Seul Milli Universiteti tərəfindən

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

(Soldan) Nanoçubuq, nanokub və yeni hazırlanmış nanoçubuq. Nanoçubuq, kubik nanokubların kimyəvi olaraq çubuq şəkilli nanokubların səthinə yapışdırıldığı unikal bir quruluşa malikdir. Mənbə: Nature Communications

Seul Milli Universitetinin (SNU) Mühəndislik Kolleci, Materialşünaslıq və Mühəndislik Departamentinin professoru Jeong Woo Hanın rəhbərlik etdiyi bir tədqiqat qrupunun, istixana qazının parçalanma performansını ənənəvi kommersiya katalizatorlarından 14,4 dəfəyə qədər artıran yeni nanostrukturlu katalizator hazırladığını açıqladı.

Tədqiqat qrupu, seria (CeO₂) nanokublarını və nanorçubuqlarını kimyəvi şəkildə birləşdirərək “nanomace” adlanan yeni bir nanostruktur sintez etdi. Onlar iki kristal strukturunun birləşdiyi sərhədin katalitik reaksiyaların ən aktiv şəkildə baş verdiyi əsas aktiv mərkəz olduğunu müəyyən etdilər.

Nanomas katalizatoru, avtomobil işlənmiş qazlarının təmizlənməsi, sənaye tullantılarının azaldılması, istixana qazlarının təmizlənməsi və təmiz hidrogen istehsalında geniş tətbiq təklif etməklə yanaşı, katalitik performansı artırmaq üçün tələb olunan bahalı qiymətli metalların istifadəsini azaldır. Beləliklə, ekoloji cəhətdən təmiz enerji və ətraf mühit texnologiyalarının kommersiyalaşdırılmasını sürətləndirəcəyi gözlənilir.

Tədqiqatın nəticələri Nature Communications jurnalında dərc edilib . Tədqiqat jurnalın kataliz sahəsində görkəmli tədqiqatları özündə əks etdirən “Redaktorların diqqət mərkəzində: Kataliz Fokusu” bölməsi üçün seçilib.

İstixana qazları, Avropada son zamanlar müşahidə edilən rekord istilik dalğaları kimi getdikcə daha şiddətli ekstremal hava hadisələrinin əsas səbəbi kimi geniş şəkildə tanınır. Avtomobil işlənmiş qazlarında zərərli qazları və istixana qazları da daxil olmaqla sənaye tullantılarını parçalaya bilən katalitik texnologiyalar bu problemi həll etmək üçün əsas ekoloji cəhətdən təmiz həllər hesab olunur.(Sol) Zərərli qazın (karbonmonoksit, CO) reaksiya temperaturunun funksiyası kimi reduksiya sürəti, nanomasın nanorçubuqlar, nanokublar və kommersiya katalizatorları ilə müqayisədə ən aşağı temperaturda ən sürətli reaksiya verdiyini göstərir. (Sağ) Nanomas üçün qrafik neyron şəbəkə modelindən istifadə edərək molekulyar dinamika simulyasiyası, karbonmonoksitin seriumun kub-çubuq interfeysində qəfəs oksigeni ilə necə reaksiya verdiyini atom səviyyəsində göstərir. Müəllif: Nature Communications, əvvəlcə Nature Communications-da dərc olunub.

Ceria’nın məhdudiyyətləri və yeni fikir

Bu cür katalitik texnologiyalarda əsas material, lazım olduqda oksigeni saxlamaq və buraxmaq qabiliyyətinə görə “oksigen saxlama materialı” kimi tanınan metal oksidi olan ceria (CeO₂)-dır. Ceria, avtomobil işlənmiş qazların təmizlənməsi, istixana qazlarının azaldılması və hidrogen istehsalı da daxil olmaqla, oksidləşmə-reduksiya reaksiyalarında vacib bir material kimi geniş istifadə olunur və burada bahalı qiymətli metal katalizatorlarını əvəz edə və ya tamamlaya bilər.

Əvvəllər seria adətən nanokublar və ya nanorçubuqlar kimi tək morfologiyalarda istifadə olunurdu və nanorçubuqlar ümumiyyətlə ən yüksək katalitik performans nümayiş etdirdiyi hesab olunurdu. Lakin katalitik performansı daha da artırmaq üçün müxtəlif seria morfologiyalarının tək kimyəvi cəhətdən əlaqəli bir quruluşa birləşdirilməsi əvvəllər araşdırılmamışdı.

Belə struktur dizayn vacibdir, çünki katalitik performansa qəfəs oksigeninin iştirak etdiyi reaksiyalar güclü təsir göstərir. Xüsusilə, katalizator səthindəki qəfəs oksigeninin birbaşa reaksiyalarda iştirak etdiyi Mars-van Krevelen (MvK) mexanizmi üçün qəfəs oksigeninin aktivləşməsini maksimum dərəcədə artırmaq üçün tələb olunan nanostruktur dizayn prinsipləri hələ dəqiq müəyyən edilməmişdir.

Bunu həll etmək üçün professor Hanın komandası seria nanokublarını və nanorçubuqlarını kimyəvi cəhətdən birləşdirən və onların sərhədindəki nizamsız atom düzülüşünün qəfəs oksigen aktivləşməsini necə artırdığını izah edən yeni bir quruluş hazırlamağa başladı.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Nanomace güc qazandığı yer

Nəticədə, komanda ilk dəfə olaraq seriya nanokublarının və nanorçubuqlarının kimyəvi olaraq vahid bir quruluşa birləşdirildiyi nanomas katalizatorunu uğurla sintez etdi. “Bu yüksək performanslı katalizator, vizual olaraq tikanlı toppuzu xatırladan kubik nanokublarla örtülmüş nanorçubuqdan ibarətdir.”

Nanomace-in performansını müəyyən edən əsas amil nanokub və nanorçubuqun qovuşduğu sərhəddir. İki fərqli kristal quruluşu kimyəvi cəhətdən birləşdikdə, sərhəddəki müntəzəm atom düzülüşü pozulur və bu da qəfəs oksigeninin sərbəst buraxılmasını və katalitik reaksiyalarda aktiv iştirakını asanlaşdırır.

Bunun əksinə olaraq, sadəcə nanokubları və nanorçubuqları qarışdırmaq bu effekti yaratmır — kimyəvi rabitə sərhəddə katalitik aktivliyi artırmaq üçün vacibdir.

Komanda daha sonra nümayiş etdirdi ki, bu interfeys ümumi səthin yalnız kiçik bir hissəsini təşkil etsə də, ümumi katalitik reaksiyanın təxminən üçdə birini təşkil edən “gizli işçi atı” kimi çıxış edir. Bu quruluş sayəsində nano-mace katalizatoru oksigeni aktivləşdirə və nanor çubuqlar da daxil olmaqla ənənəvi tək strukturlu seriya materiallarından daha aşağı temperaturda katalitik reaksiyalara başlaya bilər.

Bundan əlavə, tədqiqatçılar süni intellekt əsaslı qrafik neyron şəbəkəsi (GNN) simulyasiyalarından istifadə edərək, atom səviyyəsində interfeysdəki qəfəs oksigeninin niyə katalitik reaksiyalarda daha asanlıqla iştirak etdiyini aşkar etdilər. Genişmiqyaslı səth simulyasiyaları göstərdi ki, interfeys oksigen vakansiyalarının ən asan əmələ gəldiyi bölgədir və bu da onu ən katalitik cəhətdən aktiv mərkəzə çevirir. Molekulyar dinamika simulyasiyaları karbonmonoksitin interfeysdə qəfəs oksigeni ilə qarşılıqlı təsir göstərdiyi reaksiya prosesini daha da təsdiqlədi.

Bu tapıntılar vasitəsilə komanda interfeys strukturunu dəqiq şəkildə dizayn etməklə katalitik performansı artıran yeni bir katalizator dizayn prinsipi – “interfeys mühəndisliyi” təklif etdi.

Çoxsaylı reaksiyalar üzrə performans

Nanomas katalizatorunun digər bir gücü, müxtəlif katalitik reaksiyalarda çox yönlü olmasıdır. Nanomas strukturunda az miqdarda qızıl (Au), palladium (Pd) və rodium (Rh) kimi qiymətli metallar dəstəkləndikdə, katalizator birdən çox reaksiya növü üzrə kommersiya katalizatorlarından 14,4 dəfəyə qədər daha yüksək performans əldə etmişdir. Qızılla dəstəklənən katalizatorlar su-qaz keçid reaksiyası vasitəsilə hidrogen istehsalına imkan vermiş, palladium və rodiumla dəstəklənən katalizatorlar isə müvafiq olaraq metan və azot oksidi (N₂O) kimi istixana qazlarını parçalamışdır.

Bundan əlavə, qızılla dəstəklənən nanomas katalizatorları -70°C (-94°F) olduqca aşağı temperaturda karbonmonoksiti təmizləyə bilmiş və 150 ​​saatdan çox sabit performans saxlayaraq praktik tətbiq potensialını nümayiş etdirmişdir.

Bu tədqiqatda hazırlanmış nanoparça katalizatorunun yalnız nəqliyyat vasitələri və sənaye mənbələrindən zərərli tullantıların təmizlənməsi texnologiyalarında deyil, həm də təmiz hidrogen istehsalında və karbon neytral enerji sistemlərində geniş tətbiq olunacağı gözlənilir.

Xüsusilə, az miqdarda qiymətli metallardan istifadə edərək yüksək katalitik performansa nail olmaq qabiliyyəti iqtisadi üstünlüklər təqdim edir və bu da onu ekoloji cəhətdən təmiz katalizatorların kommersiyalaşdırılmasını sürətləndirmək üçün əsas texnologiyaya çevirir.

Professor Han bildirib ki, “Bu tədqiqat göstərir ki, katalitik performans katalizatorun morfologiyasını dəqiq idarə etməklə və qəfəs oksigen aktivliyini artırmaqla maksimum dərəcədə artırıla bilər. Biz bunun geniş oksidləşmə-reduksiya reaksiyalarına tətbiq olunan universal katalizator dizayn prinsipi kimi xidmət edəcəyini gözləyirik.”

Seul Milli Universitetinin Materialşünaslıq və Mühəndislik Departamentindən Seokhyun Choung (doktoranturadan sonrakı tədqiqatçı), Yunkyung Kim (fəlsəfə doktoru namizədi) və Myeong Gon Jang (fəlsəfə doktoru) bu tədqiqatda həmmüəlliflər kimi iştirak etmişlər. Tədqiqat Sungkyunkwan Universiteti, POSTECH, Koreya Texnologiya və Təhsil Universiteti və Yaponiyanın SPring-8 müəssisəsi ilə əməkdaşlıq çərçivəsində aparılmışdır.

Nəşr detalları

Seokhyun Choung və digərləri, Səmərəli redoks reaksiyaları üçün sürətləndirilmiş qəfəs oksigen aktivləşməsinə imkan verən iyerarxik seriya nanoarxitekturası, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-72447-z

Jurnal məlumatları: Nature Communications 

Seul Milli Universiteti tərəfindən təmin edilir