Atık karbondioksitten temiz enerjiye

İklim değişikliğiyle mücadele ve küresel ısınmayı durdurma çabaları, sürdürülebilir enerji sistemlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Bu çabalar, yalnızca karbondioksit (CO₂) salınımlarını düşürmeyi değil, bu sera gazını enerji bakımından zengin ürünlere çevirmeyi de gerektirmektedir. Elektrokimyasal CO₂ indirgeme reaksiyonu (CO₂RR), CO₂’yi metan (CH₄) gibi yüksek enerji yoğunluklu yakıtlara çevirebilme kabiliyetine sahiptir. Bu sürecin mevcut gaz altyapısıyla (boru hatları ve depolama) uyumlu olması, onu güneş ve rüzgar gibi kesintili yenilenebilir kaynaklardan gelen elektriğin uzun dönemli depolanması için mükemmel bir aday yapmaktadır.¹

Ne var ki, CO₂RR’nin yaygınlaşmasının önündeki temel zorluk, reaksiyon hızını, seçiciliği ve verimliliği yöneten katalizörlerin kararlılık sorunudur. Bilhassa bakır (Cu) temelli katalizörler, çalışma esnasında çözünme, yeniden yapılanma ve pasifleşme gibi dinamik bozulmalar yaşar. Bu durum, istenmeyen bir yan ürün olan hidrojen (HER*) üretimini artırır ve katalizörün aktif kalma süresini birkaç yüz saat ile kısıtlar.¹

Bu engeli aşmak için “geri kazanılabilir çalışma” olarak adlandırılan yeni bir konsept sunulmuştur. Bu konseptin temelinde, katalizörlerin kullanım esnasında yerinde sentezlenip periyodik olarak sıfırlanması yatar. Strateji, bakırın katot yüzeyinde düzenli aralıklarla biriktirilmesi (indirgeme) ve hemen ardından elektrolite tekrar çözülmesi (oksidasyon) şeklinde işleyen döngüler kullanır. Bu yöntem, katalizörlerin zamanla kararsız hale gelmesinden kaynaklanan performans ile dayanıklılık arasındaki olumsuz dengeyi kırmayı amaçlar. Yapılan ileri X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS*) incelemeleri, bu döngüler esnasında bakır temelli aktif bölgelerin hızla meydana geldiğini ve tersinir bir şekilde geri çözündüğünü ortaya koymuştur. Böylelikle, reaksiyonu yürüten yüzeyler sürekli olarak tazelenmiş olur.^1,2

Bu dinamik süreci daha iyi anlamak için, geri kazanılabilir çalışma konseptinin temelini oluşturan katalizör döngüsü Şekil 1’deki gibidir.

Sistemin üstün performansı, içerisinde çözünmüş CO₂ve Cu₂⁺ iyonları bulunan sulu bir elektrolitin kullanıldığı membran elektrot düzeneği (MEA) hücresinde kanıtlanmıştır. Cu₂⁺ öncüsünün alkali ortamda çökmesini engellemek için piridin (Py) ile kararlı hale getirilmesi sağlanmıştır; bu adım, katalizör kaybını en aza indirerek uzun dönemli kararlılığa katkıda bulunmuştur. Ek olarak, sistemde geleneksel bipolar membran yerine bir katyon değişim membranı (CEM) tercih edilmesi, aynı akım yoğunluklarında hücre voltajını 2,1-3,6 volt bandına çekerek enerji verimliliğini yükseltmiştir. Bu optimize edilmiş CEM-MEA tasarımı ile geri kazanılabilir stratejinin birleşimi -200 mA/cm² yi aşan akım yoğunluklarında CH₄ üretimi için %60’tan fazla Faradaik verimlilik yakalanmıştır. Sistem 4 voltluk tam hücre geriliminde 500 saati aşkın bir süre boyunca kararlı şekilde çalışmaya devam etmiştir.¹

Geri kazanılabilir çalışma yönteminin sunduğu bir başka önemli avantaj da kesintili yenilenebilir enerji kaynakları ile olan uyumudur. Gündüz/gece döngülerinin taklit edildiği denemeler, sistemin 100 günü aşan bir süre zarfında, -200 mA/cm² nin üzerindeki akım yoğunluklarında dahi yüksek CH₄ verimini sürdürebildiğini ortaya koymuştur.¹ Bu kayda değer başarı, elektrokimyasal reaktörlerin süratle devreye girip çıkabilme kabiliyetinin geri kazanılabilir konseptle birleştirilmesiyle elde edilmiştir.^1,2 Bu sonuç, CO₂RR teknolojisinin, Güneş ve rüzgar enerjisi gibi dalgalı kaynaklarla pürüzsüz biçimde bütünleşebileceğini ve yenilenebilir enerji temelinde çalışan net sıfır emisyonlu platformların önünü açtığını ispatlamaktadır.

Sonuç olarak, geri kazanılabilir çalışma yaklaşımı, CO₂’nin değerli hidrokarbonlara çevrilmesi sürecinde yeni bir çığır açmaktadır. Katalizör kararsızlığı problemini çözen bu yöntem, net sıfır karbon hedeflerine erişmek ve fosil yakıt bağımlılığını azaltmak yolunda kilit bir teknoloji olarak dikkat çekmektedir.

HER*, Hydrogen Evolution Reaction, Hidrojen Evrimi Reaksiyonu

Kaynaklar

1. Gao, G., Khiarak, B. N., Liu, H., Trần-Phú, T., Obasanjo, C. A., Crane, J., … & Dinh, C. T. (2025). Recoverable operation strategy for selective and stable electrochemical carbon dioxide reduction to methane. Nature Energy, 1-11.
2. https://techxplore.com/news/2025-10-pollution-fuel-stable-methane-production.html