Oksitlenmiş MXene ile korozyonsuz deniz suyu elektrolizi

Hidrojen, sıfır sera gazı salınımı gerçekleştiren ve doğa dostu bir enerji taşıyıcısı olarak giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Ancak günümüzdeki geleneksel su elektrolizi metotları genellikle temiz (tatlı) su kullanıyor. Bu, hem su kaynaklarının sürdürülebilirliği hem de maliyet açısından sınırlayıcıdır. Deniz suyu elektrolizinin bu soruna bir çözüm olması beklenirken, önünde çözülmesi gereken bir sorun daha vardır: Denizde bulunan Cl⁻ iyonları, anodik reaksiyon sırasında elektrotları tahrip etmekte ve zehirli klor gazı oluşturarak sistemin ömrünü önemli ölçüde azaltmaktadır.¹

Suyun tuzdan arındırılarak hidrojen elde edilmesinin önündeki korozyon sorununa yeni bir çözüm sunacak olan MXene destekli yeni bir elektrot malzemesi ortaya kondu. Araştırmacılar, MXene adlı iki boyutlu (2D) nanomalzemeyi nikel ferrit (NiFe₂O₄; NFO) ile bir araya getirerek klorür (Cl⁻) kaynaklı korozyonu önleyen dayanıklı bir elektrokatalizör geliştirdi. Bu sayede deniz suyundan istikrarlı ve uzun ömürlü bir şekilde hidrojen elde etmek mümkün hale getirilebilir.

MXene (Ti3C2Tx), metallerin yanı sıra karbon veya azot atomlarından oluşan, 2D yapıda modern bir nanomalzemedir ve yüksek elektriksel iletkenliğiyle dikkat çekmektedir. MXene, farklı metal bileşiklerle bir arada kullanılabilir; bu özelliği onu elektrot malzemesi olarak oldukça önemli kılar. Ancak önemli bir dezavantajı bulunmaktadır: Oksijen ve suya karşı fazlasıyla hassas olduğu için kolayca oksitlenir (metadeşarj). Bu da uzun vadeli kararlılığını ve uygulama ömrünü olumsuz şekilde etkilemektedir. Bu sorunu aşabilmek için araştırma ekibi MXene’i kontrollü bir şekilde oksitleyerek kararlı ve iletken bir yapı elde etti. Ardından MXene’i, bir oksijen üretim reaksiyonu (OER) katalizörü olan NiFe₂O₄ ile yüksek enerjili bilyeli öğütme işlemine tabi tutuldu. Bu işlem sırasında kontrollü bir şekilde oksitlenen MXene’den TiOx/C (oksitlenmiş Mxene/Karbon) adı verilen kararlı bir yapı elde edildi. Ortaya çıkan MXene-nikel ferrit kompoziti, geleneksel katalizörlere oranla yaklaşık beş kat daha yüksek akım yoğunluğuna ve iki kat daha uzun dayanıklılığa ulaştığı görüldü. Bu süreçte MXene yapısındaki titanyum, nikel ferrit yapısına entegre olurken, titanyum oksit (TiOx) tabakası kritik bir rol üstlendi. Oluşan MXene kaynaklı TiOx, klorür iyonlarına karşı bir ‘kalkan’ görevi üstlenmektedir. Bilimsel analizler, TiOx yapısının  Cl⁻ iyonlarını itme özelliğine sahip olduğunu ve bu sayede elektrot yüzeyinde korozyona neden olan hipoklorit (ClO^–) oluşumunu engellediğini kanıtlamıştır.²

Deniz suyu elektrolizi öncesi ve sonrasında saf NFO anodu ile MXene destekli NFO kompozit anodu karşılaştırılmıştır. MXene/TiOx bulundurmayan NFO elektrot kullanıldığında, elektroliz sonrası çözeltide Cl₂ oluşumuna bağlı sararma ve elektrot yüzeyinde belirgin korozyon/çözünme gözlenmiştir. Bununla birlikte, MXene’li kompozit elektrot ile gerçekleştirilen deniz suyu elektrolizinde çözelti berrak kalmış ve elektrot bütünlüğünü korumuştur.

Bu gözlemler, MXene’in oksitlenmesiyle oluşan TiOx yapısının ve Ti katkısının, klor oluşum reaksiyonunu baskılayarak korozyonu önlediğini açıkça ortaya koymaktadır. Ayrıca araştırma ekibi, üretim sürecinin yüksek tekdüzelik ve tekrarlanabilirlik sunduğunu, bu sayede malzemenin büyük ölçekli üretime uygun hale gelebileceğini söylüyor.

Geliştirilen teknoloji, MXene tabanlı malzemelerin en büyük zayıflığı olan ‘oksitlenme’ sorununu, TiOx oluşturarak bir avantaja çevirmesiyle kritik öneme sahiptir. Korozyon problemini bastıran yüksek performanslı bu elektrot, sürdürülebilir enerji için doğrudan deniz suyundan hidrojen üretimi araştırmalarına önemli ölçüde hız kazandırmıştır. Bu teknoloji sadece laboratuvar ölçeğinde kalmayıp gerçek bir deniz suyu elektrolizi hücresinde başarıyla kanıtlandığı gösterilmiştir.

Kaynaklar

1. https://pws/2025-hys.org/ne09-mxene-electrode-material-seawater-corrosion.html
2. Lee, K.-B., Lee, Y., Yoon, K.-Y., Jeong, J., Kwon, Y. G., Kim, D., Roh, H. Y., Lee, J.-H., Lee, H., Li, O. L., Song, H.-K., & Yang, J. (2025). Durable seawater electrolysis through the synergistic effect of oxidized MXene/Nickel Ferrite composite electrocatalyst. ACS Nano, 19(27), 25007-25016.