عملکرد کاتالیزورهای مس در مقابل اتم‌های اکسیژن

به گزارش می متالز، در شرایط عملیاتی برای تولید سوخت- که شامل تبدیل دی اکسید کربن به مونوکسید کربن و سپس ایجاد زنجیره‌های هیدروکربنی است - اکسیژن محدود شده مس به طور طبیعی در کاتالیزور تخلیه می‌شود. با این حال برخی محققان بر این باورند که مقادیر اندک اکسیژن در ساختار فلز باقی می‌ماند و این موضوع و منبع اکسیژن سبب افزایش بهره‌وری می‌شود.

دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و موسسه فناوری کالیفرنیا با انجام آزمایش طیف سنجی اشعه ایکس بر روی نمونه‌های اولیه تولیدکننده انرژی خورشیدی نشان داده‌اند که کاتالیزورهای ساخته شده از اکسید مس نسبت به کاتالیزورهای خالص فلزی در هنگام تولید اتیلن، برتری دارند. اتیلن(نام آیوپاک: اتن) ساده‌ترین هیدروکربن غیراشباع بوده و اولین عضو از گروه آلکن‌ها است. فرمول شیمیایی آن C۲H۴ بوده و بین دو اتم کربن پیوند دوگانه وجود دارد. به دلیل وجود این پیوند دوگانه اتیلن، ایزومر صورت‌بندی ندارد، یعنی دو نیمه مولکول نمی‌توانند با چرخش حول پیوند دوگانه، صورت‌بندی خود را تغییر دهند.

طی این مطالعه، دانشمندان یک سیستم کروماتوگرافی گازی(GC) را با پرتوی اشعه ایکس ترکیب کردند تا بتوانند تولید اتیلن را در زمان حال مشاهده و بررسی کنند. کروماتوگرافی گازی( Gas Chromatography) یکی از روش‌های کروماتوگرافی است که برای بررسی و جداسازی مواد فرار بدون تجزیه شدن آنها، بکار می‌رود. در کروماتوگرافی گازی، فاز گازی یک گاز بی اثر(برای مثال هلیوم، نیتروژن، آرگون و دی‌اکسید کربن) است و به فاز متحرک گاز حامل نیز می‌گویند. فاز ساکن یک جسم جامد جاذب یا لایه نازکی از یک مایع غیر فرار است که به دیواره داخلی ستون یا به صورت پوششی روی سطح گلوله‌های شیشه ای یا فلزی قرار داده شده‌ است. در صورتی که فاز ساکن جسم جامد جاذب باشد اصطلاحاً کروماتوگرافی گازی گویند و اگر فاز ساکن مایع غیر فرار باشد آن را کروماتوگرافی گاز مایع گویند. اما هردو به کروماتوگرافی گازی معروف هستند.

در کروماتوگرافی گازی، جداسازی اجزا یک مخلوط متناسب با میزان توزیع اجزا تشکیل دهنده مخلوط بین فاز متحرک گازی و فاز ساکن جامد یا مایع صورت می‌گیرد. در این روش گاز حامل مخلوط را درون ستون حرکت می‌دهد و بین دو فاز در حالت تعادل(گاز-مایع) اجزا تشکیل دهنده مخلوط توزیع می‌شوند؛ بنابراین فاز متحرک اجزا تشکیل دهنده نمونه را به طرف بیرون ستون حرکت می‌دهد و هر مولکولی که با ارتباط سست‌تر جذب ستون شده‌ است، زودتر و جزئی که قدرت جذب بیشتری با ستون دارد، دیرتر از ستون خارج می‌شوند بنابراین، اجزا مخلوط از یکدیگر جدا می‌شوند. کروماتوگرافی گازی برای جداسازی و شناسایی اجزا تشکیل دهنده یک مخلوط از مواد فرار و تجزیه کمی آن‌ها نیز کاربرد دارد.

"سو هونگ لی"(Soo Hong Lee) محقق مقطع فوق دکترا این مطالعه از آزمایشگاه برکلی و نویسنده اصلی این مطالعه گفت: طی این مطالعه ما با همکاری محققان موسسه فناوری کالیفرنیا توانستیم کروماتوگرافی گازی را از شهر پاسادنا آورده و در مرکز اشعه ایکس در پالو آلتو نصب کنیم. با استفاده از آن ما نشان دادیم که هیچ ارتباطی بین میزان اکسیژن(اکسید) در کاتالیزور و میزان اتیلن تولیدی وجود ندارد. ما فکر می‌کنیم که کاتالیزورهای مشتق از اکسید خوب هستند، زیرا آنها نه تنها در حالی که مونوکسید کربن را کاهش می‌دهند اکسیژن دارند، بلکه به دلیل فرایند از بین بردن اکسیژن، یک ساختار مس فلزی ایجاد می‌کنند که در شکل گیری اتیلن بسیار موثر است.

دانشمندان خاطرنشان کردند: گرچه کارآیی کاتالیزورهای مشتق از اکسید به مرور زمان کاهش می‌یابد، اما با اضافه کردن و از بین بردن مجدد اکسیژن در طی یک فرآیند نگهداری ساده، می‌توان آن را به طور مرتب فعال نگه داشت.

گام بعدی محققان طراحی یک سلول تولیدکننده سوخت است که می‌تواند با کمک ابزار پراکندگی اشعه ایکس کار کند و این موضوع به آنها این امکان را می‌دهد تا مستقیما ساختار متغیر کاتالیزور را نقشه‌برداری کنند و در عین حال نیز این سلول مونواکسید کربن را به اتیلن تبدیل می‌کند.