Dünya üzerindeki yaşamın sürdürülebilmesi için hayati bir önem taşıyan deniz suyu, içerisinde bulunan hidrojen, oksijen, sodyum ve diğer elementlerle karmaşık bir kimyasal karışımdır. Ancak, bu karmaşıklık, hidrojen gazı üretimi için temiz enerji kullanımlarını zorlaştırmaktadır.
Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi’ndeki ortak çalışanlarla birlikte, deniz suyunu çift membranlı bir sistemden geçirerek, hidrojeni okyanustan çıkarmanın farklı bir yolunu buldular. Yenilikçi tasarımlarının, büyük miktarda zararlı yan ürün üretemeden hidrojen gazı üretiminde başarılı olduğunu kanıtladılar ve bu başarıları düşük karbonlu yakıt üretme çabalarına umut oldu.
SLAC “Günümüzde birçok sistem su ve hidrojeni tek katmanlı veya tek katmanlı zar kullanılarak çalıştırılıyor, bizim araştırmamız ise çift katmanı bir araya getirdi.” dedi. SUNCAT Bilim ve Kataliz Merkezi ile Adam Nielander şöyle dedi; ”Bu zar (membran), deniz suyundaki iyonların hareket etme şeklini kontrol etmemizi sağladı”.
Hidrojen gazı, günümüzde elektrikli araçları çalıştırmak için ve elektrik şebekeleri için uzun süreli enerji depolama seçeneği gibi birçok şekilde kullanılan düşük karbonlu bir yakıttır.
Hidrojen gazı yapmaya yönelik birçok girişim tatlı veya tuzlu sudan arındırma ile başlar, ancak bu yöntemler maliyetli olduğundan, arıtılmış su ile çalışmak daha kolaydır çünkü etrafında daha az madde (kimyasal elementler veya moleküller) vardır. Ancak araştırmacılar, suyun arıtılmasının pahalı olduğunu, fazla enerji gerektirdiğini ve cihazlara karmaşıklık kattığını söylüyor. Başka bir seçenek olan doğal tatlı suyun, gezegende daha sınırlı bir kaynak olmasının yanı sıra modern teknoloji için sorun olan bir dizi safsızlık da içerdiğini söylediler.
Ekip, deniz suyuyla çalışmak için iki kutuplu (iki katmanlı) bir membran sistemi uyguladı ve istenen bir reaksiyonu çalıştırmak için iyonları veya yüklü elementleri sürmek üzere elektrik kullanan bir yöntem olan elektrolizi kullandı. SLAC ve Stanford’dan Joseph Perryman, tasarımlarına deniz suyu sistemine en zararlı element olan klorürü kontrol ederek başladıklarını söyledi.
Joseph Perryman “Deniz suyunda su-hidrojen reaksiyonu ve sodyum-klorür deniz suyunu tuzlu kılan ana unsurlardan biridir. Klorür içeren bir elektroliz sistemi, özellikle anot ve oksidamlara (elektron alan madde) ulaşmasıyla birlikte, moleküler klor ve çamaşır suyu gibi zehirli oksidasyon ürünlerini içerdiği için güvenli olmayabilir ve bu durum elektroliz sisteminin ömrünü azaltabilir.” dedi.
İçeriğindeki bipolar zar, hidrojen gazı yapmak için gerekli koşullara erişim ve klorürün reaksiyon merkezine ulaşımında azalma sağlar.
Perryman, “Bu klorür tepkisini durdurmanın yollarını temel olarak ikiye katlamaya çalışıyoruz” dedi.
İdeal bir zar sisteminin üç birincil işlevi bulunur:
- Deniz suyundan hidrojen ve oksijen gazlarını ayırmak: Zar sistemi, deniz suyundan hidrojen ve oksijen gazlarını ayrıştırmak için kullanılır.
- Diğer deniz suyu iyonlarını sınırlamak ve yalnızca yararlı hidrojen ve hidroksit iyonlarını hareket ettirmeye yardımcı olmak: Zar sistemi, diğer deniz suyu iyonlarını sınırlamak ve yalnızca hidrojen ve hidroksit iyonlarının geçişine izin vererek yararlı iyonların hareketini kolaylaştırır.
- Azalmamış reaksiyonları önlemeye yardımcı olmak: Zar sistemi, azalmamış reaksiyonların önüne geçerek istenmeyen kimyasal reaksiyonların meydana gelmesini engelleyerek sistem verimliliğini artırır.
Bu üç işlevin bir arada ele alınması zor olabilir ve araştırmalar, bu işlevleri etkin bir şekilde birleştirebilen zar sistemlerini keşfetmeyi hedeflemektedir.
Çalışmada, özellikle pozitif hidrojen iyonları olan protonlar, zar katmanlarından birini olumsuz yüklü bir elektrot (katot) ile etkileşim ederek toplanabilecekleri bir yere geçer ve hidrojen gaza dönüştürülür. Sistemdeki ikinci zarda ise klorür gibi sadece olumsuz iyonların seyahat etmesine izin verildiği gözlemlendi.
Stanford’un Kimya Mühendisliğinden Daniela Marin, bir zar sistemi için ek bir arka stop, zar katmanının olumsuz klorür gibi yüklü iyonların istenmeyen bölgelere geçişini zorlaştırdığı belirtilmiştir. Negatif yüklü zarın, neredeyse tüm klorür iyonlarını engellediği ve çamaşır suyu, klor gibi zehirli oksitleri üretmeden sistemin etkin bir şekilde çalıştırmasına yardımcı olacağı ifade edilmiştir.
Araştırmacılar, deniz suyu ile hidrojen zar sisteminin tasarlanmasının yanı sıra, deniz suyu iyonlarının zarlardan nasıl taşındığı konusunda daha iyi ve genel bir anlayış sağladığını da belirtti. Bu bilgi bilim insanlarının oksijen gazı üretmek gibi diğer uygulamalar için daha güçlü zarlar tasarlamalarına yardımcı olabilir.
Marin, “Oksijen üretmek için elektroliz kullanmakla da ilişkisi var” dedi. “Bipolar zar sistemimizde iyon akışını ve dönüşümü anlamak da bu çaba için çok önemlidir. İçeriğinde oksijen gazı ve hidrojen üretmenin yanı sıra, bipolar’ı nasıl kullanacağımızı da gösterdik.” dedi.
SLAC ve Stanford profesörü ve SUNCAT müdürü Thomas Jaramillo, “Gelecek yeşil hidrojen teknolojileri için parlak” dedi. “Kazandığımız temel oluşumlar, bu teknolojinin gelişmiş performansı, dayanıklılığı ve ölçeklendirilebilirliği için gelecekteki yenilikleri bilgilendirmenin anahtarıdır” dedi.
Kaynak
https://techxplore.com/news/2023-04-seawater-hydrogen-fuel.html