Bu sorunun kısa cevabı: Evet! Peki nasıl? İşte benim doktora çalışmam bu soruya odaklanıyor. Özellikle katalizör gerektiren tepkimeler üzerinde çalışıyoruz; örneğin amonyak üretimi. Amonyak, nitrojen ve hidrojen gazlarının çok yüksek basınç ve sıcaklıkta katalizör yardımı ile tepkimeye girmesi ile oluşur ve gübrenin temel bileşeni olduğu için toprak ürünlerinin yetiştirilmesinde büyük önem taşır.

Benim çalışmamda ise sadece amonyak odaklı değil, metan gazının yakıt olarak değerlendirilmesinden karbondioksitin faydalı ürüne dönüştürülmesine uzanan bir yelpazede kimyasal tepkimeleri oda koşullarında nasıl hızlandırabiliriz sorusuna cevap arıyoruz. Buradaki anahtar sözcükler "oda koşulları", yani yüksek basınç ve sıcaklık gerektirmeyen, göreceli olarak kolay bulunabilir ekipmanlar içeren uygulamalar. Yöntemimiz, elektrik enerjisi uygulayarak gazları iyonlaştırmak, yani maddenin dördüncü hali olarak da tanımlanan "plazma" koşullarını yaratmak (Figür 1). Daha sonra iyonlaşmış gazın katalizör ile etkileşmesini sağlayarak tepkimeleri devam ettiriyoruz. Nihayetinde de, hedeflenen ürünlere daha hızlı bir şekilde ve büyük tesisler gerekmeden ulaşabileceğimizi gördük.

Plazma denince aklımıza Güneş veya füzyon reaktörleri gelebilir (plazma televizyonları düşünmediğinizi varsayıyorum). Halbuki benim kullandığım plazma bunlardan tamamen farklı. Dengeden uzak plazmalar olarak adlandırabileceğimiz bu tip plazmalarda, elektronlar iyonlardan en az 1000 kat daha sıcak, daha hızlı, daha enerjiktir. Diğer yandan elektronların kütlesi de iyonlardan 1000 kat daha küçüktür. Biz aslında tepkimeleri hızlandırmak için bu çok küçük ama çok enerjili elektronlardan faydalanıyoruz. Bu enerjili elektronlar gazlara yüksek voltaj uygulayarak elde ediliyor. Gaz molekülleri dış yörüngelerindeki elektronları serbest bırakarak iyonlaşıyor veya elektronlar molekül içinde daha yüksek enerji seviyelerine zıplıyor.

Yukarıda bahsettiğimiz amonyak örneğine geri dönecek olursak, nitrojen ve hidrojen gazlarının karışımı elektrik enerjisi yardımı ile yüklü parçacıklardan oluşan bir çorbaya dönüyor. Bu işlemi oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında yapabiliyoruz. Elimizdeki çorbanın büyük kısmı hala nötr halde gaz, sadece yüzde 1 civarında iyonlaştırsak bile kimyasal tepkimeler için yeterli oluyor. Büyük kısmı oda sıcaklığında gaz olduğu için de dokunabilirsiniz bile.

Plazmadaki yüklü parçacıkların katalizör ile etkileşimi

Katalizörler, tepkimeleri enerji bariyerini düşürerek hızlandırır ve tepkime sonunda değişmeden kalan tepkime hızlandırıcılardır. Katalizör tepkimelerinde genelde geçiş metalleri kullanılıyor, çünkü bu metaller d yörüngesindeki elektronları paylaşmaya meyillidir. Biz de enerjik elektronlar yaratarak katalizör yüzeyine tutunan gaz moleküllerini uyarıyor ve yüzeydeki tepkimelerin hızlanmasını sağlıyoruz.

Figür 2, bir tepkimenin enerji diyagramını ve plazma yardımı ile hızlanmasını gösteriyor. Katalizörler enerji bariyerini düşürür (şekilde yeşil ile gösterildi); plazma ise girenlerdeki elektronları daha üst seviyelere uyararak enerji bariyerini daha da düşürür (şekilde kırmızı ile gösterildi) ve sonuç olarak da bariyeri aşan molekül sayısı daha fazla olur, yani daha fazla ürün daha kısa sürede üretilir.

Plazmanın katalizör yüzeyindeki moleküllerle etkileşimleri kabaca böyledir, ancak gerçekten ne olduğunu aslında bilmiyoruz. Figür 2’de v=2 olarak gösterilen ikinci titreşim enerjisi tamamen bir varsayım. Ne olduğunu anlamak için moleküler düzeyde inceleme yapabileceğimiz bir ekipmana ihtiyacımız var. Çalışmada kullandığımız araç, FTIR (Fourier Transform Infrared) spektrometresi. Bir pencereden yollanan kızıl ötesi (infrared, IR) ışık, reaktör içindeki katalizör yüzeyinden dağılarak geri yansır ve bu esnada yüzeydeki moleküller bazı ışık dalga boylarını emer (Figür 3). İkinci pencerede toplanan ışık, ilk gönderilen ışıkla karşılaştırılarak analiz edilir ve yüzeyde emilen dalga boylarının grafiği çıkarılır. Bu dalga boyları belli moleküler uyarılmaların kimliği gibidir ve tepkime esnasında (in situ) hangi molekülün yüzeyde aktif olduğunu bize kesin olarak söyler.

Plazmayı tepkimelere nasıl dahil ederiz?

Kullandığımız FTIR spektrometresi, kimyasal tepkimeler için idealdir, fakat dünyada bizim gibi plazmalar üzerine çalışan diğer 3 grup dışında kimse plazma etkileşimlerini analiz etmeyi denememişti. Diğer gruplar spektroskopi aracını modifiye etmeye çalışırken ben farklı bir yaklaşım kullandım ve yeni bir plazma konfigürasyonu yarattım: Sarmal yüzey plazması.

Metal kapalı bir kutu içinde plazma yaratmak isterseniz karşılaşacağınız birkaç problem vardır. Öncelikle plazma için yüksek voltaj (örneğin hava için 3000 V/mm) gerekir ve bu voltajı taşıyacak kablolarınızı metalden çok iyi izole etmelisiniz. Yoksa kendi laboratuvarınızda yıldırım çaktırabilirsiniz (ki onu da yaptım yanlışlıkla). Bu kablolar kimyasal tepkimelerin yaratacağı kimyasal ortama ve sıcaklığa dayanmalıdır. Bir de bu kapalı kutunun içindeki tepkime kabının çapının 7 mm olduğunu düşünürsek oldukça küçük bir alana yüksek voltaj sıkıştırmamız gerektiğini anlarız. Ayrıca bu plazma tepkime kabının içinde yayılmalı ve katalizörlerle etkileşime girmeli. Figür 4, konfigürasyonu ve tepkime kabının içinde gömülü halini gösteriyor.

Bahsedilen sorunları aşmak için figürdeki sarmal plazma konfigürasyonunu düşündüm ve 0.8 mm çapındaki elektrotları metal kubbeyi delerek içeri soktum. Tabi elektrotlar 110 mikronluk Kapton yalıtımla korunurken dışarı gaz sızıntısını önlemek için eşleşmeyi sağlayan metal parçalar yaptırdım. Uygulanan voltaj ile kubbe içindeki gaz iyonlaştı ve plazma Kapton yüzey üzerinde yayıldı. Bu plazma kaynağını tepkime kabına koydum ve kabı toz halindeki katalizör malzeme ile doldurdum. Yüzey plazmasının katalizör tozunda da yayıldığını gözlemledim (Figür 5). Artık FTIR spektrometresi için hazırdık.

Plazma sayesinde yüzeyden gelen sinyaller

Karmaşık kimyasal tepkimeleri incelemeden önce yeni plazma kaynağımızı daha basit bir molekül için test etmek istedik: Su. KBr tozu, sofra tuzuna benzer şekilde ortamdaki nemi yani su buharını emer. Eğer bu tozu fırında kurutmadan kullanırsak tepkime kabına kolayca su molekülleri koymuş oluruz. Su molekülünün yüzeyden kopması için gereken enerjinin plazma elektronlarında bulunduğunu hesapladım. Yani belli bir süre boyunca plazma KBr tozu içinde aktif kalırsa (Figür 5’teki gibi) yüzeyden su moleküllerinin ayrılmasını spektrometrede gözlemlememiz gerekir. Bu hipotezi test etmek için aynı enerjili plazmayı, kurutulmuş yani su bulundurmayan toz içinde de yaratıp karşılaştırmamız gerekir. Deney sonuçlarımız tam da tahmin ettiğimiz gibiydi.

Sarmal yüzey plazmasının küçük tepkime kabına monte edilebileceğini ve katalizör gibi tozlarla etkileşebileceğini gösterdik. Bu çalışma, ilerde incelemeyi düşündüğümüz amonyak üretimi ve metan gazı dönüşümü gibi tepkimeler için ilk adım oldu. Bu tepkimeler esnasında hangi moleküllerin etkin olduğunu ortaya çıkarmayı umuyoruz. Eğer mekanizmaları daha iyi anlarsak tepkimeleri kontrol edip belli ürünleri daha çok üretmeyi başarabiliriz.