Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Japonya'da bulunan RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilimi Merkezi'nde (CSRS) Ryuhei Nakamura liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından sudan hidrojen üretmek için yeni bir sürdürülebilir ve pratik yöntem keşfedildi. Mevcut yöntemlerden farklı olarak yeni yöntem pahalı veya kıt olan nadir metalleri gerektirmiyor. Bunun yerine, yakıt hücreleri ve tarımsal gübreler için hidrojen artık oldukça yaygın iki metal olan kobalt ve manganez kullanılarak üretilebilir. Çalışma Nature Catalysis'te yayınlandı.

Yanma üzerine karbondioksit üreten geleneksel fosil yakıtların aksine, hidrojen, yan ürün olarak yalnızca su üreten temiz bir yakıttır. Yenilenebilir elektrik kullanılarak sudan hidrojen elde edilebilirse; enerji şebekesi temiz, yenilenebilir ve sürdürülebilir hale getirilebilir. Ek olarak hidrojen neredeyse tüm sentetik gübrelerde kullanılan amonyak üretmek için gereken temel bileşendir. Ancak şu anda amonyak tesisleri sudan temiz bir şekilde hidrojen çıkarmak yerine ihtiyaç duydukları hidrojeni üretmek için fosil yakıtları kullanıyor. Peki, neden hala fosil yakıtları kullanıyoruz? Bunun bir nedeni, hidrojen çıkarma işleminin kendisinin (elektroliz) pahalı olması ve henüz sürdürülebilir olmamasıdır.

Nakamura, "Bu öncelikle iyi katalizörlerin eksikliğinden kaynaklanıyor. Sert asidik ortama dayanabilmenin yanı sıra katalizör çok aktif olmalıdır. Eğer değilse reaksiyonun belirli bir miktarda hidrojen üretmesi için gereken elektrik miktarı ve bununla birlikte maliyet de artar” dedi.

Şu anda su elektrolizi için en aktif katalizörler platin ve iridyum gibi nadir metallerdir. Bu da pahalı olmaları ve metaller arasında “nesli tükenmekte olan türler” olarak kabul edilmesi nedeniyle bir ikilem oluşturur. Tüm dünyayı şu anda hidrojen yakıtına geçirmek, yaklaşık 800 yıllık iridyum üretimi gerektirecektir. Bu da var olmayabilecek bir miktardır. Öte yandan demir ve nikel gibi bol metaller yeterince aktif değildir ve sert asidik elektroliz ortamında hemen çözünme eğilimindedir.

Daha iyi bir katalizör arayışında olan araştırmacılar, karışık kobalt ve manganez oksitleri incelediler. Kobalt oksitler gerekli reaksiyon için aktif olabilir, ancak asidik ortamda çok hızlı korozyona uğrar. Manganez oksitler daha kararlıdır, ancak yeterince aktif değildir. Araştırmacılar, bunları birleştirerek onların tamamlayıcı özelliklerinden yararlanmayı umdular. Ayrıca laboratuvar dışında pratik uygulama için gereken yüksek akım yoğunluğunu da göz önünde bulundurmak zorundaydılar.

Yazarlardan Shuang Kong, "Endüstriyel ölçekte hidrojen üretimi için çalışmamızın hedef akım yoğunluğunu geçmiş deneylerde kullanılandan yaklaşık 10 ila 100 kat daha yükseğe ayarlamamız gerekiyordu. Yüksek akımlar, katalizörün fiziksel olarak ayrışması gibi birtakım sorunlara yol açtı" dedi.

Sonunda ekip, bu sorunların deneme yanılma yoluyla üstesinden geldi ve manganezi Co3O4'ün spinel örgüye yerleştirerek karışık kobalt manganez oksit Co2MnO4'ü üretip aktif ve kararlı bir katalizör keşfetti.

Testler Co2MnO4'ün çok iyi performans gösterdiği yönünde. Aktivasyon seviyeleri son teknoloji iridyum oksitlerin seviyelerine yakındı. Ek olarak, yeni katalizör, pratik kullanım için etkili hale getirebilecek şekilde, santimetre kare başına 200 miliamperlik bir akım yoğunluğunda iki aydan fazla dayandı. Tipik olarak çok daha düşük akım yoğunluklarında sadece günler veya haftalar süren diğer nadir olmayan metal katalizörlerle karşılaştırıldığında, yeni elektrokatalizör bir kilometre taşı olabilir.

Yazarlardan Ailong Li, “On yıllardır bilim insanlarının ulaşamadığı şeyi başardık: Bol metallerden yapılmış oldukça aktif ve kararlı bir katalizör kullanarak hidrojen üretebildik. Uzun vadede, bunun sürdürülebilir bir hidrojen ekonomisi oluşturmaya yönelik büyük bir adım olduğuna inanıyoruz. Güneş pilleri ve rüzgâr enerjisi gibi diğer yenilenebilir teknolojiler gibi, yeşil hidrojen teknolojisinin maliyetinin yakın gelecekte daha fazla ilerleme kaydedildikçe düşmesini bekliyoruz” dedi.

Laboratuvardaki bir sonraki adım, yeni katalizörün ömrünü uzatmanın ve aktivite seviyelerini daha da artırmanın yollarını bulmak olacak. Nakamura, "İyileştirme için her zaman yer vardır ve mevcut iridyum ve platin katalizörlerinin performansına uyan, nadir olmayan bir metal katalizör için çaba göstermeye devam ediyoruz" dedi.

 Makale:

https://www.nature.com/articles/s41929-021-00732-9