Karbon nötr bir toplum oluşturmak için fosil yakıt kullanımı azaltılarak sera gazı emisyonu ve emilimi dengelenmelidir. Ayrıca güneş ve rüzgar enerjisi ile birlikte üretilen yenilenebilir enerji olabildiğince verimli kullanmalıdır. Bu yenilenebilir enerji ile beraber suyun elektrolizi sonucu üretilen hidrojen (yeşil hidrojen), temiz enerji ve çevreye ulaşmada en önemli yöntemlerdendir1.
Sıfır karbon hedefini benimseyen toplumlar yetiştirmek için hidrojenle ilgili teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Hidrojen suyun elektrolizinden oluşur. Su her ne kadar doğada çokça bulunsa da elektroliz için kullanılan katalizörler ender bulunan ve maliyetli metallerden oluşmaktadır. Tsukaba Üniversitesi önderliğinde bir ekip, çok fazla bulunan, maliyet açısından da ucuz olan bor ve kükürt kullanarak su elektrolizi için oldukça aktif olan yeni bir katalizör geliştirdi.
Fosil yakıtların kullanımından kaynaklı enerji krizi ve çevre sorunları, elektrokatalitik su ayrıştırma işlemi ile üretilen hidrojen gibi temiz ve sürdürülebilir enerji taşıyıcılarına geçişi zorunlu hale getirmektedir. Bu sebeple, dayanıklı, düşük maliyetli ve yüksek verimli OER (oksijen dönüşüm reaksiyonu) elektrokatalizörlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar ilgi odağı olmuştur.
Linghui Li ve araştırma ekibinin yaptığı bir çalışmada, elektronik iletkenlik sağlanması amacıyla boron monosülfür (r-BS) ün grafenle hibritleşmesi ile alkali ortamda kullanılmak üzere bir OER elektrokatalizörü hazırlanmıştır3. Elektrokatalizörün katalitik aktivitesi (10 mA/cm2 de 250 mV aşırı potansiyel) önceki çalışmalarda duyurulan değerlerden daha yüksektir. Yenilenebilir enerji cihazlarının verimliliklerini artırma adına daha fazla kullanım alanına sahip olabilirler.
Elektrot katalizörleri, suyun elektrolizini performans açısından daha iyi hale getirmek amacıyla oksijen dönüşüm reaksiyonlarını destekler. Günümüzde elektrokatalizörlerin yapımında rutenyum ve iridyum gibi ender ve maliyet bakımından pahalı metaller kullanılır. Toplumun sürdürülebilir kalkınmasını sağlamak amacıyla daha ucuz elementleri kullanan yeni elektrokatalizör materyalleri geliştirilmelidir.
Araştırma ekibi daha önce 1’e 1 bileşim oranına sahip kükürt ve bor’u kapsayan, bol miktarda kaynağa sahip r-BS sentezini, yeni bir elektrokatalizörün yapımı için potansiyel bir madde olarak tanıtmıştı.
Bu araştırma ekibi r-BS + G’yi (kısaca, katman karbon benzeri grafen nanotabakalar (GNP) ile komplekslenmiş r-BS) başarılı bir şekilde sentezledi ve alkali sulu çözeltide su elektrolizi için iyi bir elektrokatalizör oldu. Ayrıca, oksijenin oluşum entalpisi için yüksek katalitik aktivite sağlandı. Bu katalitik etkinliğin daha da artması ile pratik yeşil hidrojen imalat sisteminde de kullanılabileceği tahmin edilmektedir.
r-BS’nin GNP ile birlikte hibridizasyonu sonucu ticari RuO2 den daha verimli yeni bir OER elektrokatalizörü geliştirildi. XRD, XPS ve Raman spektroskopi incelemeleri, r-BS+G katalizörünün kararlı bir yapıya sahip olduğunu göstermekle birlikte aktif bölgelerini araştırmak için birkaç test daha yapıldı. Bilyalı öğütme testleri ve Hesaplamalı Hidrojen Elektrodu (CHE) modeli kullanarak yapılan DFT işlemleri, katalitik olarak aktif bölgelerin olası bir kusurlu bölgeye sahip olabileceğini ortaya koydu. r-BS aktif bölgelerinin sayısının denetlenmesi, r-BS + G’nin OER verimini daha da artırabileceği ve bundan dolayı r-BS, yenilenebilir enerji çalışmaları için performans açısından iyi, düşük maliyetli ve dayanıklı katalizörlerin üretiminde ana malzeme olarak umut vaat ediyor3.
Kaynaklar
- https://phys.org/news/2023-07-team-highly-catalyst-alkaline-electrolysis.html
- Kusaka, H., Ishibiki, R., Toyoda, M., Fujita, T., Tokunaga, T., Yamamoto, A., … & Kondo, T. (2021). Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps. Journal of Materials Chemistry A, 9(43), 24631-24640.
- Li, L., Hagiwara, S., Jiang, C., Kusaka, H., Watanabe, N., Fujita, T., … & Kondo, T. (2023). Boron monosulfide as an electrocatalyst for the oxygen evolution reaction. Chemical Engineering Journal, 471, 144489.