రియాక్టెంట్ల కంటే భిన్నమైన స్థితిలో ఉండటం ద్వారా వైవిధ్య ఉత్ప్రేరకాలు రసాయన ప్రతిచర్యలను వేగవంతం చేస్తాయి. అధిక ఉష్ణోగ్రత లేదా పీడనం వంటి సవాలు పరిస్థితులలో కూడా అవి సమర్థవంతంగా మరియు స్థిరంగా ఉంటాయి. సాంప్రదాయకంగా, ఇనుము, ప్లాటినం మరియు పల్లాడియం వంటి లోహాలు హైడ్రోజనేషన్ మరియు హేబర్ ప్రక్రియ వంటి ముఖ్యమైన ప్రతిచర్యల కోసం పెట్రోకెమికల్స్ మరియు వ్యవసాయం వంటి పరిశ్రమలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. అయినప్పటికీ, ఈ లోహాలు చాలా అరుదుగా ఉంటాయి మరియు కోకింగ్ నుండి ఏర్పడటం వంటి సమస్యలను కలిగి ఉంటాయి. శాస్త్రవేత్తలు మరింత స్థిరమైన మరియు తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన పారిశ్రామిక అనువర్తనాల కోసం ఉత్ప్రేరకాలుగా సాధారణ మూలకాలను ఎక్కువగా అన్వేషిస్తున్నారు.
2000ల మధ్యలో, విసుగు చెందిన లూయిస్ పెయిర్ (FLP) కాన్సెప్ట్ యొక్క పరిచయం ఉత్ప్రేరకంలో, ముఖ్యంగా చిన్న మాలిక్యూల్ యాక్టివేషన్‌లో పెద్ద పురోగతిని గుర్తించింది. ఒక FLP అనేది రెండు భాగాల కలయికతో రూపొందించబడింది — ఒకటి లూయిస్ యాసిడ్‌గా మరియు మరొకటి లూయిస్ బేస్‌గా పనిచేస్తుంది — ఇవి ప్రాదేశిక లేదా ఎలక్ట్రానిక్ అడ్డంకి కారణంగా ఒకదానితో ఒకటి పూర్తిగా స్పందించలేవు. ఈ “నిరాశ” వాటిని అత్యంత రియాక్టివ్ స్థితిలో ఉంచుతుంది, హైడ్రోజన్, కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేదా అమ్మోనియా వంటి స్థిరమైన అణువులను సక్రియం చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, ఇవి సాధారణంగా విడిపోవడానికి చాలా కష్టంగా ఉంటాయి. FLPలు విభిన్నంగా ఉంటాయి ఎందుకంటే అవి బహుళ యాక్టివ్ సైట్‌లను కలిగి ఉంటాయి, సాంప్రదాయ ఉత్ప్రేరకాలతో పోలిస్తే వాటిని మరింత రియాక్టివ్ మరియు సెలెక్టివ్‌గా చేస్తాయి, ఇవి సాధారణంగా ఒక క్రియాశీల సైట్‌ను కలిగి ఉంటాయి. FLPలలో రెండు ప్రధాన రకాలు ఉన్నాయి: విజాతీయ లోపం-నియంత్రణ FLPలు మరియు పరమాణు-ఆధారిత సజాతీయ FLPలు. మొదటి రకం ఉపరితల లోపాల ద్వారా క్రియాశీల సైట్‌ల సంఖ్యను నియంత్రిస్తుంది; దాని రియాక్టివిటీని ఖచ్చితంగా ట్యూన్ చేయడం మరియు దాని స్థిరత్వాన్ని నియంత్రించడం చాలా శ్రమతో కూడుకున్నది. రెండవ రకం చిన్న అణువులను కలిగి ఉంటుంది, ఇక్కడ యాసిడ్-బేస్ జత ఒకే పరమాణు నిర్మాణంలో ఉంటుంది, చుట్టుపక్కల భాగాలను మార్చడం ద్వారా వాటి రియాక్టివిటీని సర్దుబాటు చేయడం సులభం చేస్తుంది.
ఘన-స్థితి వ్యవస్థలలో ఉపయోగం కోసం పరమాణు-ఆధారిత FLPలను స్వీకరించడం ద్వారా ఇటీవలి అధ్యయనం కొత్త పుంతలు తొక్కింది. పాలిమర్-డెరైవ్డ్ సిరామిక్ (PDC) ప్రక్రియ ద్వారా ప్రీ-సిరామిక్ పాలిమర్‌ల రసాయన బహుముఖ ప్రజ్ఞను పెంచడం ద్వారా పరిశోధకులు దీనిని సాధించారు. ఈ సహకార ప్రయత్నం జపాన్‌లోని నగోయా ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీకి చెందిన ప్రొఫెసర్ యుజి ఇవామోటో మరియు డాక్టర్ షోటారో టాడాతో సహా ప్రపంచవ్యాప్తంగా ఉన్న నిపుణులను ఒకచోట చేర్చింది; ఫ్రాన్స్‌లోని లిమోజెస్ విశ్వవిద్యాలయం నుండి డాక్టర్ శామ్యూల్ బెర్నార్డ్; మరియు ఇండియన్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీ మద్రాస్, ఇండియా నుండి ప్రొఫెసర్ రవి కుమార్. వారి అన్వేషణలు ఆగస్టు 9, 2024న ఆన్‌లైన్‌లో అందుబాటులో ఉంచబడ్డాయి, అక్టోబర్ 2, 2024న “హాట్ పేపర్”గా ప్రకటించబడ్డాయి మరియు జర్నల్ యొక్క సంచిక 63, సంచిక 46లో ప్రచురించబడ్డాయి అప్లైడ్ కెమిస్ట్రీ ఇంటర్నేషనల్ ఎడిషన్ నవంబర్ 11, 2024న.
ప్రధాన పరిశోధకుడైన ప్రొఫెసర్ యుజి ఇవామోటో వివరిస్తూ, “మేము లూయిస్ బేస్ సైట్‌లకు అలాగే నిరాకార సిలికాన్ నైట్రైడ్ (a-SiN) మాతృకకు పూర్వగామిగా పాలీసిలాజేన్ అని పిలువబడే నైట్రోజన్ కలిగిన ఆర్గానోసిలికాన్ పాలిమర్‌ను ఉపయోగించాము. దానిని ఒక ద్వారా మార్చడం ద్వారా థర్మోకెమికల్ ప్రక్రియ, మేము ఖచ్చితంగా a-SiN పరంజాను సృష్టించాము నానోఫైన్డ్ రియాక్షన్ ఫీల్డ్‌లుగా పనిచేసే నియంత్రిత రంధ్ర పరిమాణాలు.”
ఈ అధ్యయనంలో, పరిశోధనా బృందం బోరాన్ (B) — సహజంగా సమృద్ధిగా మరియు తక్కువ విషపూరితమైన లూయిస్ ఆమ్లం — మరియు సోడియం (Na)తో పాలిసిలాజేన్‌ను రసాయనికంగా సవరించింది. సవరించిన పదార్థం అప్పుడు 1000 °C వద్ద ప్రవహించే అమ్మోనియాకు బహిర్గతమైంది, దీని ఫలితంగా సోడియం-డోప్డ్ అమోర్ఫస్ సిలికాన్-బోరాన్-నైట్రైడ్ (Na-డోప్డ్ SiBN) ఏర్పడింది.
అత్యాధునిక స్పెక్ట్రోస్కోపిక్ పద్ధతులను ఉపయోగించి, సోడియం-డోప్డ్ SiBN పదార్థం హైడ్రోజన్‌తో పరమాణు స్థాయిలో ఎలా సంకర్షణ చెందిందో పరిశోధకులు కనుగొన్నారు. హైడ్రోజన్‌కు గురైనప్పుడు ఈ పదార్ధం యొక్క ప్రత్యేక నిర్మాణం బోరాన్ మరియు నత్రజని సైట్‌ల ప్రతిచర్యను మెరుగుపరుస్తుందని వారు కనుగొన్నారు. ప్రత్యేకంగా, హైడ్రోజన్ అణువులు బోరాన్ సైట్లు మరియు సోడియం అయాన్‌లు రెండింటితో సంకర్షణ చెందాయి, 3-రెట్లు-సమన్వయ బోరాన్-నైట్రోజన్ మోయిటీని మరింత వక్రీకరించిన మరియు ధ్రువ నిర్మాణంగా మార్చి, చిన్న అణువులతో 4-రెట్లు-సమన్వయ జ్యామితిని ఏర్పరుస్తాయి, నిరాశ చెందిన లూయిస్‌గా పనిచేస్తాయి. యాసిడ్ (FLA) సైట్లు. కొన్ని ఉష్ణోగ్రతల వద్ద హైడ్రోజన్‌ను ప్రవేశపెట్టినప్పుడు, ఇది నైట్రోజన్-హైడ్రోజన్ (NH) బంధాలలో మార్పులను ప్రేరేపించింది, ఇది విసుగు చెందిన లూయిస్ బేస్ (FLB) సైట్‌ల ఏర్పాటుకు దారితీసింది. ఈ సైట్లు థర్మోడైనమిక్ ప్రయోగాల ద్వారా నిర్ధారించబడిన రివర్సిబుల్ హైడ్రోజన్ అధిశోషణం మరియు నిర్జలీకరణాన్ని ప్రారంభించే FLP యొక్క డైనమిక్ ఇంటరాక్షన్ నమూనాను సృష్టించాయి. హైడ్రోజన్ విడుదల కోసం అధిక క్రియాశీలత శక్తి బలమైన పరస్పర చర్యలను సూచించింది, సమర్థవంతమైన మరియు స్థిరమైన హైడ్రోజన్-ఆధారిత ప్రతిచర్యలకు పదార్థాన్ని మంచి ఉత్ప్రేరకం చేస్తుంది.
కొత్తగా అభివృద్ధి చేయబడిన ఈ నిరాకార సోడియం-డోప్డ్ SiBN మెటీరియల్ దాని అసాధారణమైన ఉష్ణ స్థిరత్వానికి ప్రత్యేకించి, ఇతర పరమాణు FLPలను అధిగమిస్తుంది మరియు కఠినమైన పరిస్థితులలో ఉత్ప్రేరక ప్రక్రియలకు ఆదర్శవంతమైన అభ్యర్థిగా నిలిచింది. అదనంగా, దాని సౌకర్యవంతమైన సిరామిక్-ఆధారిత నిర్మాణం ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలకు అపారమైన సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది, ముఖ్యంగా హైడ్రోజనేషన్ ప్రతిచర్యలలో, ఇవి శక్తి మరియు రసాయనాలు వంటి పరిశ్రమలలో అవసరమైన ప్రక్రియలు.
“ఈ విధానం వైవిధ్య ఉత్ప్రేరకంలో ప్రధాన-సమూహ-మధ్యవర్తిత్వ ఘన-వాయువు దశ పరస్పర చర్యలను అభివృద్ధి చేయడానికి వాగ్దానం చేస్తుంది, విలువైన అంతర్దృష్టులను అందిస్తుంది మరియు ఈ డొమైన్‌లో గణనీయమైన ప్రభావాలను వాగ్దానం చేస్తుంది” అని ప్రొఫెసర్ ఇవామోటో వివరించారు.
ఈ అధ్యయనం యొక్క మార్గదర్శక ఫలితాలు స్థిరమైన ఉత్ప్రేరకాన్ని విప్లవాత్మకంగా మార్చడానికి ఈ వినూత్న పదార్థం యొక్క సామర్థ్యాన్ని హైలైట్ చేస్తాయి.
