Hidrojen, elektrik enerjisi üretimi, amonyak eldesi ve yakıt üretimi gibi birçok alanda kullanılır. Temiz hidrojen üretimi yoğun enerji gerektirmesi nedeniyle maliyetlidir. Bu durum küresel ısınmaya karşı mücadelede ekonomik bir bariyer oluşturmaktadır. Temiz hidrojenin bir sera gazı olan metanın ayrıştırılması ile ortaya çıkan kirli hidrojen üretimiyle rekabet edebilmesi için verimlilikte artış sağlanmalıdır1.
Metal-organik çerçeve (MOF); gözenekli olabilen bir, iki veya üç boyutlu yapılar oluşturmak üzere genellikle katı organik moleküllerle ilişkili metal iyonlarından oluşan koordineli bileşiklerdir. Benzersiz yapısal özellikleri sayesinde MOF suyun ayrıştırılmasında fotokatalizör olarak kullanılmaya öncülük etmektedir. Bununla birlikte fotokatalitik ile temiz hidrojen üretimi verimliliğinde artış sağlayabilir. Ayrıca son yıllardaki araştırmalara göre, güneş ışığını absorbe etme konusunda oldukça başarılı olan MOF’lar fotokatalitik su ayrıştırma için ön plana çıkmıştır. MOF’ların yapısı, bir sünger gibi suyu gözeneklerine absorbe etmek için hareket halinde olan gözenekli 3D ağlar oluşur.
Fotokatalitik su ayrışımında kullanılan metal-organik bileşiklerinin araştırmadaki güncel durumunu gözlemlenmektedir ve MOF’ların olumlu ve olumsuz yanları tartışılmaktadır. MOF bazlı katalizörler üçe ayrılır: MOF’lar, MOF kompozitleri ve MOF’dan türetilen fotokatalizörler. MOF bazlı katalizörlerin fotokataliz ve elektrokatalizin gelişimindeki ilerlemesi, sıralı olarak incelenmesi bu çalışmadaki konuları içermektedir2.
Metal-organik ‘süngerler’ veya başka bir deyişle MOF’lar boyutlarının küçük olmasından dolayı moleküler seviyede çalışarak araştırmacıların çeşitli gazları ve kimyasal maddeleri içerisinde hapsetmesine, depolamasına veya ayırmasına imkan sağlar. Bir fotokatalizörün verimi, büyük ölçüde elektronları bir atomun değerlik seviyesinden iletkenlik seviyesine atlamak için uyarma yeteneğine bağlıdır. Bu uyarılmış elektronlar artık bir elektrik akımında serbestçe akabilir. MOF’lar, bant aralıklarını optimize etmek için tasarlanabilir ve değiştirilebilir, böylece görünür ışığı daha uygun şekilde emebilirler.
Yangzhou Üniversitesi araştırmacılarından Huan Pang, “MOF’lar gözenekli yapıları nedeniyle geniş bir yüzey alanına sahiptir, tüm bu iç yüzey alanının gözenekleri kapladığını düşünün.” dedi. Yüzey alanın fazlalığı kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği “aktif bölgeler” olarak bilinen konumun artmasına imkan sağlar. Bu da MOF’ların su ayrıştırmada daha fazla verimlilik sağladığı anlamına gelmektedir.
Olumsuz yanlarına gelindiğinde MOF’lar diğer fotokatalitik malzemelere destek görevi görüp kararlı ve dağınık kalmalarını sağlayabilir. Bu da fotokatalitik moleküllerin aglomerasyonunu* engelleyebilir. Dolayısıyla verimliliklerinde azalma söz konusu olabilir. Makalenin ortak yazarlarından Yang An, “MOF’ların en büyük avantajlarından biri de çok yönlülükleridir.” dedi.
“Kimya mühendisleri farklı metaller ve organik bağlayıcılar seçerek MOF yapılarını özelleştirebilir ve böylece verimli fotokatalitik su ayrıştırma için özel olarak tasarlanmış MOF’ların geliştirilmesine olanak tanır.” diye ekledi.
Aynı zamanda kimya mühendisleri; fotokatalitik hidrojen ve oksijen oluşumunun yararlılığını fazlalaştırmayı hedefleyen, “hidrojen evrim reaksiyonu” ve “oksijen evrim reaksiyonu” adlı çalışmaları yürüttüler.
Aktif bölgeler adsorpsiyon** ve su moleküllerinin aktivasyonu için daha fazla çift aktif bölge oluşmasını sağlayabilir. Çift aktif bölgelerin MOF yapısına iki farklı metal iyonu ya da organik bağlayıcı eklenerek ya da MOF yüzeyine bir eş katalizör (örneğin; soy metal) eklenerek elde edilebileceği belirtilmektedir. MOF tasarım ve sentezi zorlu bir süreçtir çünkü yapısı ve bileşimi nedeniyle titiz kontrollerden geçmesi gerekmektedir. Ayrıca eklenen iki farklı metal iyonu ve organik bağlayıcı türü, yüzeyine eklenen yardımcı katalizör MOF’un kararlılığını ve çalışma durumunu olumsuz anlamda etkileyebilir. Araştırmacılar çift bölgeli MOF’ların geliştirme sırasında dikkate alınması gereken hususların kristallerinin boyutu ve şekli gibi faktörlerin yanı sıra merkezi metal iyonunu çevrelemiş atomların düzenlenmesi ve MOF ile eş katalizör arasındaki tepkilerin olması gerektiği sonucuna ulaştı.
*Aglomerasyon: Çok ince toz zerreciklerinin bir araya gelerek daha büyük parçalar oluşturması.
**Adsorpsiyon: Tutunma, çözünmüş katı maddeler ile sıvı ve gaz maddelerin atomlarının yüzeye tutunması ile ilgili kimyasal ve fiziksel bir kuvvettir.
Kaynaklar
1. https://phys.org/news/2023-09-chemical-roadmap-metallic-sponges-hydrogen.html