Araştırmacılar, aktif bir katalizörün güçlü bir sera gazı olan metan gibi alkanların güçlü karbon-hidrojen (C-H) bağlarını parçalayabildiği süreci açıkladı. Çalışma, katalizörün kısa bir ışık parlamasıyla aktif hale geldiğini ve C-H bağlarını neredeyse hiç enerji harcamadan parçalamaya devam ettiğini ortaya koyuyor. Güçlü X-ışını ışık kaynakları, SwissFEL ve Swiss Light Source kullanan araştırmacılar, süreci baştan sona takip ederek katalizör ile C-H grubu arasındaki karmaşık elektron alışverişine tanık oldular. Gelişmiş kuantum kimyasal hesaplamalar, bu karmaşık sürecin yorumlanmasına yardımcı oldu ve potansiyel olarak kimya endüstrisi için zararlı metan ve diğer alkanları yararlı kimyasallara dönüştürebilecek daha iyi katalizörlerin ortaya çıkmasına yol açtı.
Bilim adamları, bir Science dergisinde yayınlanan bir araştırmaya göre, aktif katalizör güçlü sera gazı metanındaki güçlü karbon-hidrojen bağlarını parçalıyor. Gelişmiş X-ışını teknolojisi ve kuantum kimyasal hesaplamaları kullanarak, katalizör ile metan molekülü arasındaki elektron değişimini izleyerek, zararlı gazları faydalı kimyasallara dönüştürmek için daha verimli katalizörler geliştirmenin yolunu açtılar.
X-ışını ışığının kısa flaşlarının kullanılması, bilim adamlarını sera gazı metanını daha az zararlı bir kimyasala dönüştürmek için daha iyi katalizörler geliştirmeye büyük bir adım daha yaklaştırıyor. Science dergisinde yayınlanan sonuç, ilk kez alkanların karbon-hidrojen bağlarının nasıl koptuğunu ve bu reaksiyonda katalizörün nasıl çalıştığını ortaya koyuyor.
En güçlü sera gazlarından biri olan metan salınıyor hayvancılık ve permafrostun sürekli çözülmesiyle artan bir oranda atmosfere karışır. Metan ve daha uzun zincirli alkanları daha az zararlı ve aslında yararlı kimyasallara dönüştürmek, ilgili tehditleri ortadan kaldıracak ve karşılığında kimya endüstrisi için çok büyük bir hammadde sağlayacaktır. Ancak metanı dönüştürmek, ilk adım olarak doğadaki en güçlü kimyasal bağlardan biri olan C-H bağının kırılmasını gerektirir.
Bir X-ışını flaşı bir molekülü aydınlatır. Kredi: Raphael Jay
Kırk yıl önce, C-H bağlarını kolaylıkla ayırabilen moleküler metal katalizörler keşfedildi. Gerekli görülen tek şey, katalizörü “açmak” için kısa bir görünür ışık parlamasıydı ve sihir gibi, yakınlardan geçen alkanların güçlü C-H bağları neredeyse hiç enerji kullanmadan kolayca kırılır. Bu sözde C-H aktivasyon reaksiyonunun önemine rağmen, katalizörün bu işlevi nasıl yerine getirdiği onlarca yıldır bilinmiyordu.
Araştırma, İsviçre’deki Paul Scherrer Enstitüsü ile iş birliği içinde Uppsala Üniversitesi’nden bilim adamları tarafından yürütüldü. Stockholm Üniversitesi, Hamburg Üniversitesi ve Almanya’daki Avrupa XFEL. Bilim adamları ilk kez katalizörü iş başında doğrudan izleyebildiler ve C-H bağlarını nasıl kırdığını ortaya çıkardılar.
Raphael Jay, Fizik ve Astronomi Departmanında Araştırmacı, Uppsala Üniversite. Kredi: Mikael Wallerstedt
İsviçre’deki Paul Scherrer Enstitüsünde yürütülen iki deneyde, araştırmacılar, bir rodyum katalizörü ile bir oktan C-H grubu arasındaki hassas elektron değişimini kırılma sırasında takip edebildiler. Dünyadaki en güçlü X-ışını flaşı kaynaklarından ikisi, X-ışını lazer SwissFEL ve X-ışını senkrotron İsviçre Işık Kaynağı kullanılarak, reaksiyon baştan sona kadar takip edilebildi. Ölçümler, katalizörün ilk ışık kaynaklı aktivasyonunu 400 femtosaniye (0,0000000000004 saniye) içinde 14 nanosaniye (0,000000014 saniye) sonra nihai C-H bağının kırılmasına kadar ortaya çıkardı.
“Zamana bağlı X-ışını soğurma deneyleri yaptık. yalnızca SwissFEL ve İsviçre Işık Kaynağı gibi son derece parlak ve kısa X-ışını darbeleri sağlayan büyük ölçekli tesislerde mümkündür. Katalizör yoğun bir oktan çözeltisine daldırılır, ancak metalin bakış açısını ele alırsak, kırmak için yapılmış yüzbinlerce C-H bağı arasından özellikle bir tanesini seçebiliriz,” diye açıklıyor Uppsala Üniversitesi Araştırmacısı ve baş deney uzmanı Raphael Jay.
Philippe Wernet, Uppsala Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nde Profesör. Kredi: Mikael Wallerstedt
Karmaşık deneysel verileri yorumlamak için, Uppsala Üniversitesi ve Stockholm Üniversitesi’nden teorisyenler bir araya gelerek gelişmiş kuantum-kimyasal hesaplamalar yaptılar.
“Hesaplamalarımız, elektronik yükün metal katalizör ile C-H grubu arasında doğru oranda nasıl aktığını belirleyin. Metalden C-H bağına akan yükün iki kimyasal grubu nasıl birbirine yapıştırdığını görebiliriz. Uppsala Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı ve araştırmanın baş teorisyeni Ambar Banerjee, bunun yerine ters yönde akan yük, sonunda C ve H atomunu ayıran bir makas görevi görür.
Çalışma kırk soruyu çözüyor. Aktif bir katalizörün, büyük sıcaklıklara veya basınca ihtiyaç duymadan dikkatli bir şekilde elektron fraksiyonlarını değiştirerek güçlü C-H bağlarını gerçekten nasıl kırabileceğine dair bir yıllık gizem. Araştırmacılar ellerindeki yeni araçlarla, metan ve diğer alkanlardan faydalı bir şeyler yapmak için kimya endüstrisi için daha iyi katalizörler geliştirmeye yardımcı olmak üzere elektron akışını nasıl yönlendireceklerini öğrenmek istiyorlar.
{7 }Gerçekler
Araştırma, büyükbaba, baba ve oğul Manne, Kai ve Per Siegbahn’ın öncü çalışmalarına dayanmaktadır.
Nobel Ödülü almış Manne Siegbahn (Uppsala Üniversitesi). 1924’te Fizikte, farklı elementlerin X ışınlarıyla nasıl ayırt edilebileceğine öncülük etti.
1981’de Nobel Fizik Ödülü’nü alan Kai Siegbahn (Uppsala Üniversitesi), aynı elementin farklı kimyasal ortamlarının nasıl ayırt edilebileceğinin öncülüğünü yaptı. X-ışınları ile ayırt edilebilir.
Per Siegbahn (Stockholm Üniversitesi), bir C-H bağını kırmak için gereken uyumlu elektronik yük alışverişini teorik olarak tahmin etti.
Referans: “Orbital çözünürlükle C-H aktivasyonunu izleme” 1 Haziran 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adf8042