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.
پایداری ترمودینامیکی اکسید منگنز لایه‌ای در واکنش اکسایشی
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. این پژوهش می‌تواند منجر به طراحی و تولید کاتالیزگرهای 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 به‌وسیله‌ی 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 اتومبیل‌هایی که سوخت هیدروژنی دارند دو تا سه برابر کارآمدتر از اتومبیل‌های 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 شمای زیر:
۲H2O → O2 + 4H+ + 4e
4H+ + 4e- → ۲H2
4H+ + 4e- → ۲H2
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 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد در رشته شیمی معدنی دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، در توضیح مراحل تهیه این کاتالیزور گفت: «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.شناسایی و اثبات نانو لایه‌ای شدن آن‌ها به‌وسیله‌ی روش‌های SEM، TEM و XRD انجام شد.
اندازه‌گیری میزان تولید اکسیژن آن‌ها از آب برای تعیین میزان اکسیژن تولید شده، نیز صورت گرفت. آزمایش‌هایی به‌وسیله‌ی 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 به‌وسیله‌ی روش کالریمتری نیز صورت پذیرفت.»
وی در مورد کاربرد اکسیدهای منگنز نیز گفت: «در حال حاضر بیشترین کاربرد اکسیدهای منگنز در صنایع باتری‌سازی و پتروشیمی است ولی در کارهای پژوهشی، به طور گسترده‌ایی مورد توجه است که گروه ما بر روی کاربرد‌های این ترکیب در واکنش اکسایش آب تمرکز دارد.»
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: «با استفاده از فناوری نانو، ساختار لایه‌ایی به‌دست 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 اینکار تحقیقاتی که به دست سارا نیری و همکاران وی صورت گرفته است، در مجله National Academy of Sciences of USA Proceedings of the (جلد ۱۱۰، شماره ۲۲، ۲۸ ماه می۲۰۱۳، صفحات ۸۸۰۱-۸۸۰۶) منتشرشده است.
