پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان با همکاری دانشگاه کالیفرنیا با بررسی پایداری ترمودینامیکی ترکیبات لایه‌ای اکسید منگنز و مقایسه آن‌ها با دیگر اکسیدهای منگنز نشان دادند که اکسید منگنز لایه‌ای در واکنش اکسایشی ویژگی‌های توجیه‌کننده با کارایی بالایی دارند.
به گزارش سرویس علمی ایسنا، این پژوهش می‌تواند منجر به طراحی و تولید کاتالیزورهای موثرتر در اکسایش آب و تولید هیدروژن به عنوان سوخت پاک شود.
آلودگی هوا و گرم شدن زمین از بزرگترین خطرات برای سلامت انسان‌ها، حیوانات و گیاهان به شمار می‌رود. از طرفی پایان یافتن سوخت‌های فسیلی و نیاز بشر به سوختی تجدید‌پذیر و تمیز از معضلات قرن حاضر است. از آنجایی‌که بخش عمده مشکلات آلودگی هوا و گرم شدن کره زمین به وسیله‌ی سوخت‌ها و یا تولید و مصرف انرژی ناشی می‌شود، باید تغییراتی در بخش انرژی به وجود آید که این تغییرات به یک منبع مختل نشدنی و ایمن برای جمعیت رو به رشد نیاز دارد.
استفاده از گاز هیدروژن به عنوان منبع ذخیره‌کننده انرژی خورشید و در نهایت استفاده از آن به عنوان سوخت مزایای بسیاری دارد از جمله اینکه پس از سوختن آن فقط آب تولید می‌شود. همچنین خودروهایی که سوخت هیدروژنی دارند، دو تا سه برابر کارآمدتر از خودروهای گازوئیلی و بنزینی عمل می‌کنند. تولید هیدروژن از منابع متعددی امکان‌پذیر است، اما ارزان‌ترین و در دسترس‌ترین منبع آن، الکترولیز آب است. در الکترولیز آب دو نیم واکنش اکسایش و کاهش انجام می‌شود.
در نیم واکنش کاهش به راحتی H+، الکترون می‌گیرد اما در نیم واکنش اکسایش، اضافه ولتاژ (~V1) لازم است تا اکسیژن تولید شود که عامل محدود‌کننده‌ی کل واکنش به حساب می‌آید. در این ولتاژ بالا، ممکن است ترکیبات شیمیایی دیگر نیز اکسید شوند و این موضوع از لحاظ زیست‌محیطی، برای تولید هیدروژن در حجم بالا، قابل قبول نیست؛ بنابراین، تلاش‌های زیادی جهت طراحی یک ابر کاتالیزگر برای کاهش دادن انرژی فعال‌سازی نیم واکنش اکسایش و در نتیجه سرعت بخشیدن به فرآیند اکسایش آب انجام شده است. یکی از این کاتالیزورهای فعال، نانو لایه‌های کلسیم منگنز اکسید است که در این کار تحقیقاتی استفاده شده است.
سارا نیری، دانش آموخته کارشناسی ارشد در رشته شیمی معدنی دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان و محقق این طرح در توضیح مراحل تهیه این کاتالیزور گفت: در این طرح سنتز ترکیبات با مقادیر متفاوتی از پتاسیم پرمنگنات در آب حل و در محیطی قلیایی به آن منگنزاستات و کلسیم استات اضافه شد. در مرحله بعد جامد حاصل صاف و خشک شد. این کار باعث سنتز ترکیبات زیادی از اکسیدهای لایه‌ای با ویژگی‌های متفاوت می‌شود. در ادامه شناسایی و اثبات نانو لایه‌ای شدن آن‌ها بوسیله‌ی روش‌های SEM، TEM و XRD انجام شد.
وی افزود: اندازه‌گیری میزان تولید اکسیژن آن‌ها از آب برای تعیین میزان اکسیژن تولید شده نیز صورت گرفت. در ادامه آزمایش‌هایی بوسیله‌ی کاتالیزورهای سنتز شده در حضور سریم (IV) که اکسنده‌ای متداول برای اکسایش آب است، با کمک دستگاه اکسیژن‌متر انجام گرفت. سپس اندازه‌گیری آنتالپی سطح و گرمای واکنش بوسیله‌ی روش کالریمتری نیز صورت پذیرفت.
نیری در مورد کاربرد اکسیدهای منگنز نیز گفت: در حال حاضر بیشترین کاربرد اکسیدهای منگنز در صنایع باتری‌سازی و پتروشیمی است، ولی در کارهای پژوهشی بطور گسترده‌ای مورد توجه است که گروه ما بر روی کاربرد‌های این ترکیب در واکنش اکسایش آب تمرکز دارد.
محقق طرح تصریح کرد: سطح زیاد این ترکیبات به علت نانو لایه بودن باعث اکسایش هر چه بهتر آب می‌شود. از طرفی پایداری ترمودینامیکی بالا و سطح زیاد و انرژی سطحی کم آن را به کاتالیزور فعال و موثر تبدیل کرده است.
نیری در تکمیل این موضوع افزود: در این طرح با استفاده از فناوری نانو، ساختار لایه‌ای بدست آمده است که البته نظم دوربرد در آن مشاهده نمی‌شود. این ساختار، سطح بسیار بالایی فراهم می‌کند. از طرفی از نظر ترمودینامیکی می‌توان فرض کرد این نوع اکسید از واکنش یک ترکیب اسیدی (منگنز اکسید) و یک اکسید قلیایی (کلسیم اکسید) حاصل شده که این فرض توجیه‌کننده پایداری بالای این اکسید است.
نتایج این کار تحقیقاتی که توسط سارا نیری و همکارانش صورت گرفته، در مجله National Academy of Sciences of USA Proceedings of the منتشر شده است.
