Elektrokimyasal amonyak üretiminde yeni yaklaşım

Amonyak (NH₃), küresel gıda güvenliğini sağlayan gübre üretiminin temel taşı olmasının yanı sıra geleceğin karbon emisyonsuz yeşil enerji döngüleri için yüksek miktarda hidrojen depolayabilen ve taşınması kolay olan stratejik bir enerji taşıyıcısı olarak öne çıkıyor. Ancak asırlık bir teknoloji olan geleneksel Haber-Bosch yöntemi; 400−650°C sıcaklık ve 150−200 bar yüksek basınç gerektirmesi, küresel karbondioksit emisyonlarının %1,5’inden ve yıllık birincil enerji tüketiminin %1 ila % 2’sinden sorumlu olması nedeniyle yerini çevreci alternatiflere bırakmaya çalışıyor.

Bu duruma alternatif olarak geliştirilen ve yenilenebilir elektrik enerjisiyle çalışan elektrokimyasal azot indirgeme reaksiyonu (eNRR), oda sıcaklığı ve atmosferik basınçta su ve azottan amonyak üreterek sıfır karbonlu bir üretim modeline geçişi temsil ediyor. Ancak sulu ortamlarda yürütülen elektrokimyasal amonyak üretiminin önündeki en büyük teknik engel, katot yüzeyinde eNRR ile doğrudan rekabet eden hidrojen evrim reaksiyonu (HER) olarak biliniyor. Azot molekülünün 945 kJ/mol gibi son derece güçlü bir üçlü bağa sahip olması nedeniyle protonlar, azot bağını kırmak yerine yüzeyde hızla birleşerek hidrojen gazına dönüşme eğilimi gösteriyor. Bu durum amonyak üretim verimliliğini (Faradaic Verimlilik) tarihsel olarak %15’in altında sınırlıyordu.¹

Seul Ulusal Üniversitesi Kimya ve Biyolojik Mühendislik Bölümü’nden Prof. Jung liderliğindeki araştırma ekibi tarafından yürütülen projede, elektrokimyasal amonyak sentezindeki bu zorlukla başa çıkmada yeni nesil katalizör tasarımları ve arayüzey mühendisliği yaklaşımları geliştirildi. Bu yaklaşımda;

• Titanyum Nitrür (Ti₂NT_x) yapılı iki boyutlu (2D) malzemeler
• Reaksiyon yüzeyindeki özel noktaların H₂ oluşumunu kendiliğinden durdurması
• Yapının kenarlarında hidrojen atomlarını yakalayarak engelleme etkisi
• Katalitik performans ölçümleri

ele alındı.

Reaksiyon ortamının geometrik yapısına odaklanan araştırmacılar, enzimlerin çalışma prensibinden esinlenen yeni bir yöntem geliştirdi. Elektrokimyasal arayüzde uzamsal bir engel oluşturan ekip, proton bağışçılarının yapısını kontrol ederek protonların elektrot yüzeyine erişimini ve hidrojen oluşumunu (Volmer reaksiyonu) kısıtladı. Azot molekülleri ise yüzeyden dışarıya doğru uzandığı için amonyak üretim reaksiyonu bu kısıtlamadan etkilenmeden devam edebildi.

Bunun yanı sıra iki boyutlu Ti₂NT_x gibi yapılar, reaksiyonu doğrudan kristal kafesindeki azot atomlarını kullanarak yürüten Mars-van Krevelen (MvK) döngüsünü tetiklemektedir. Bu mekanizmada kafes azotu protonlanarak amonyağa dönüşmekte, yüzeyde oluşan azot boşluğu ise gaz fazındaki azot molekülü ile doldurularak kafes yenilenmektedir. Yapının kenar bölgelerindeki eksik koordinasyonlu azot atomları ise proton tuzağı görevi görerek H₂ oluşumunu enerjetik olarak engellemektedir.

Performans ölçümleri, sterik engelleme stratejisi sayesinde elektrokimyasal amonyak üretimindeki Faradaic verimliliğin %70 seviyelerinden yaklaşık %100’e çıktığını ve geniş bir potansiyel aralığında korunduğunu göstermiştir. Katalitik veriler doğrultusunda Ti₂NT_x yapılı katalizörler, N₂ gazı beslemesi altında 11,33 amonyak verim hızına ve %47,5 Faradaic verimliliğe ulaşmıştır. Nitrit iyonu kullanılan alternatif sistemlerde ise N-N bağ kırma adımı baypas edilerek 153 mol verim hızı ve %93,0 Faradaic verimlilik elde edilmiştir.²

Bu eknolojinin endüstriyel ölçeğe taşınabilmesi için 100 nmol/(s.cm²) üretim hızı eşiğinin aşılması kritik görülmektedir. Geliştirilen bu arayüz mühendisliği yaklaşımının, CO₂ indirgeme gibi rakip reaksiyon içeren diğer elektrokimyasal süreçlere uygulanması halinde, fosil yakıt bağımlılığını azaltarak net sıfır emisyon hedeflerine doğrudan katkı sağlayacaktır. Büyük ölçekli tesislere ihtiyaç duyulmadan yerinde ve sürdürülebilirtemiz enerji dönüşümünün hızlanacağı öngörülmektedir.

Kaynaklar

1. Phys.org. (2026, 4 Ağustos). New catalyst design selectively suppresses competing hydrogen reaction in ammonia synthesis.
2. Park, D., Choi, C., Ryu, J., & Jung, Y. (2026). Steric Hindrance of Proton Donors Modulates Heterogeneous Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction Selectivity in Nonaqueous Electrolytes. Journal of the American Chemical Society, 148(28), 30152-30162.