כימאים מאוניברסיטת יוטה דיווחו על הקשר החד-משמעותי הראשון שבין גודל חלקיקי הזרז שעל מצע מוצק, תכונותיהם האלקטרוניות ויכולתם להאיץ תגובות כימיות.
כימאים מאוניברסיטת יוטה דיווחו על הקשר החד-משמעותי הראשון שבין גודל חלקיקי הזרז שעל מצע מוצק, תכונותיהם האלקטרוניות ויכולתם להאיץ תגובות כימיות. המחקר הינו צעד נוסף לעבר מטרת תכנונם של זרזים זולים ויעילים יותר אשר יגבירו את ייצור האנרגיה, יפחיתו את פליטת גזי-החממה ויסייעו בייצור מגוון מוצרים בתחומי הרפואה והנפט.
זרזים (קטליזאטורים) הינם חומרים המאיצים תגובות כימיות מבלי שהם נצרכים במהלך התגובה. הם משמשים בייצור של רוב הכימיקלים ומוצרים תעשייתיים רבים וכלכלת העולם בהחלט תלויה בהם.
“אחד מגורמי אי-הודאות המשמעותיים ביותר הקשורים לזרזים טמון בעובדה כי איננו מבינים ממש כיצד משפיע גודל חלקיקי הזרז על התרחשותה של התגובה הכימית,” אומר סקוט אנדרסון, פרופסור לכימיה באוניברסיטת יוטה ואחד מכותבי המאמר שהופיע בכתב-העת המדעי Science. “אם נוכל להבין מהם הגורמים המשפיעים על פעילותם של הזרזים – אזי נוכל להכין זרזים יעילים וזולים יותר.”
“רוב הזרזים הינם מתכות אצילות יקרות כגון זהב, פלאדיום או פלטינה,” הוא מוסיף. “לדוגמא, עבור זרזי זהב, רוב המתכת מופיע בצורת חלקיקים גדולים, אולם חלקיקים אלו אינם פעילים ורק ננו-חלקיקים, המכילים כעשרה אטומים בלבד, הינם הפעילים. כלומר, יותר מתשעים אחוזים מהזהב שבזרז אינם עושים דבר ולא תורמים לתגובה הקטליטית. אם נוכל להכין זרז המורכב בלבדית מהגודל הרצוי של החלקיקים, נוכל לחסוך כתשעים אחוזים או יותר ממחירו.”
בנוסף, “קיים עניין מוגבר בהבנה כיצד לייצר זרזים יעילים ממתכות הרבה פחות יקרות כגון נחושת, ניקל ואבץ,” אומר החוקר. “והאופן שבו תוכל לעשות זאת טמון בכוונון תכונותיהם הכימיות של הזרזים, כלומר – כוונון תכונותיהם האלקטרוניות, כיוון שהאלקטרונים הם השולטים בכימיה.”
הרעיון הינו לקחת מתכת שאינה פעילה קטליטית ובאמצעות הקטנתה לגודל החלקיקי המתאים להופכה לכזו,” מסביר החוקר. “זהו כיוון המחקר שלנו – לנסות לאתר ולהבין מהו גודל החלקיקים של המתכות שגורם לפעילות קטליטית ומדוע.”
במחקרו החדש, צוות המדענים התקדם שלב בכוונון זרזים שיהיו בעלי תכונות רצויות באמצעות ההדגמה, לראשונה אי-פעם, כיצד גודל ננו-חלקיקי המתכת הקטליטית המעוגנים למשטח, משפיע לא רק על רמת הפעילות הקטליטית שלהם, אלא גם על תכונותיהם האלקטרוניות.
“זרזים כימיים הינם חלק חשוב בכלכלת העולם,” מציין החוקר. “זרזים משמשים למעשה בכל תהליך תעשייתי, החל מהכנת דלק ופולימרים וכלה בהפחתת זיהומים והנעה רקטית.”
זרזים משמשים בכתשעים אחוזים מהתהליכים הכימיים התעשייתיים בארה”ב ובהכנת יותר מעשרים אחוזים מסך כל המוצרים התעשייתיים, ותהליכים אלו צורכים כמויות רבות של אנרגיה.
בנוסף, כלל התעשייה מייצרת כעשרים ואחד אחוזים מפליטות גז החממה פחמן דו-חמצני בארה”ב לבדה, בכלל זה שלושה אחוזים שמקורם בתעשייה הכימית. כך, שהגברת יעילות הזרזים הינה “גורם מפתח הן לחיסכון באנרגיה והן להפחתת הפליטה של גזי חממה,” מציינים החוקרים. זרזים משמשים גם בתעשיית התרופות, בתעשיית המזון, בייצור תאי-דלק ודשנים, בהמרה של גז טבעי, פחם או ביו-מסה לדלקים נוזליים, ובמערכות כימיות להפחתת זיהומים ושיפור הבעירה בייצור אנרגיה.
האגודה הצפון אמריקאית לזרזים אומרת כי זרזים תורמים לשלושים וחמישה אחוזים מהתמ”ג (תוצר מקומי גולמי) העולמי. “חלק הארי של תרומה זו מגיע מהייצור של דלקים עתירי-אנרגיה (דלק, דיזל, מימן), המבוססים באופן חיוני על השימוש בכמויות זעירות של זרזים בבתי-זיקוק לנפט,” מסבירים החוקרים. “הפיתוח של זרזים זולים ויעילים יותר הינו חיוני לאגירה, המרה ואחסון של אנרגיה,” מסביר ראש המחלקה לכימיה באוניברסיטת יוטה. “מחקר זה חיוני לביטחון האנרגטי של האומה.”
זרזים חשובים רבים – כגון אלו המצויים בממיר קטליטי המפחית את פליטות המזהמים של רכבים – מורכבים מחלקיקי מתכת שגודלם משתרע בין מיקרונים לבין ננומטרים. ככל שגודל חלקיקי המתכת של הזרז הולך וקטן לעבר התחום הננומטרי, תכונותיהם נותרים, בתחילה, כפי שהיו במקור. אולם, כאשר הגודל פוחת מכעשרה ננומטרים – המכילים כעשרת אלפים אטומים של הזרז – תנועתם של האלקטרונים במתכת מוגבלת ומתוחמת, כך שהאנרגיה הפנימית שלהם מתגברת.
כאשר ישנם פחות ממאה אטומים בחלקיקי הזרז, השינויים בגודל גורמים גם לאי-יציבות במבנה האלקטרוני של אטומי הזרז. אי-יציבות זו משפיעה משמעותית על יכולתם של החלקיקים לשמש כזרזים, מסביר החוקר.
ניסויים קודמים הראו כי תכונותיהם הכימיות והאלקטרוניות של הזרזים מושפעות מגודל חלקיק הזרזים המרחפים בגז. אולם, חלקיקי זרזים מבודדים אלו די שונים מהזרזים הקיימים ע”ג משטח תחמוצת מתכת – הצורה האמיתית שבה מתכות קטליטיות קיימות בזרזים תעשייתיים.
ניסויים קודמים עם זרזים המעוגנים למשטח כללו לרוב מגוון נרחב של גודל חלקיקים. כך שניסויים אלו כשלו בחקר השאלה כיצד התכונות האלקטרוניות והפעילות הקטליטית של הזרזים משתנות כתלות בגודל החלקיקים הפרטניים.
במחקר החדש החוקרים השתמשו בחלקיקי פלאדיום בעלי גודל מוגדר שעוגנו ע”ג תחמוצת טיטניום והמשמשים להמרת פחמן חד-חמצני לפחמן דו-חמצני. המחקר הראה לא רק כיצד הפעילות הקטליטית משתנה כתלות בגודל החלקיקים, “אולם הצלחנו גם לקשר בין תלות זו בגודל לבין שינויים אלקטרוניים שנצפו בחלקיקי הזרזים,” מסביר החוקר. מדענים אחרים אכן חזו כי כך הוא הדבר, אולם אף אחד לפנינו לא הצליח להוכיח זאת.” החוקר הראשי מציין כי זו ההדגמה הראשונה אי-פעם לתלות החזקה הקיימת בין הגודל והפעילות של זרז ע”ג משטח מתכת והתכונות האלקטרוניות שלו.
הכימאים כיוונו אלומת לייזר לשם נידוף פלאדיום ליצירת ננו-חלקיקי מתכת טעונים חשמלית בגז הנישא באמצעות זרם הליום. שדות אלקטרומגנטיים משמשים ללכידת החלקיקים ולהכוונתם דרך ספקטרומטר-מסות, אשר בורר רק את חלקיקי הפלאדיום בגודל הרצוי. חלקיקים אלו מעוגנים בהמשך ע”ג חד-גביש של תחמוצת טיטאניום כשכבה דקיקה. בשלב הבא החוקרים השתמשו בשלל שיטות מדידה לשם אפיון תכונותיהם הפיסיקליות, הכימיות, האלקטרוניות והקטליטיות של זרזים אלו.
הידיעה מאוניברסיטת יוטה
