Tek bir cihazda hem yakıt hücresi hem de elektrolizör olarak işlev görebilen Birleştirilmiş Rejeneratif Yakıt Hücresi (URFC’ler) yenilikçi ve umut vadeden bir enerji dönüşüm sistemidir.
URFC anyon değişim membranları, oksijen oluşum reaksiyonu (OER) için platin-iridyum (Pt-Ir) alaşımlı elektrokatalizörler ve oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) için çift bileşenli yapılar kullanılarak optimize edilmiştir1. Pt’nin alkali ortamlarda düşük stabilitede çalışması için gerekli olan Ir yüksek maliyetli olduğundan URFC’ler yaygın bir şekilde kullanılamaz. Ir yerine geçiş metallerinden olan Ni kullanılarak Pt-Ni oktahedral alaşımı oluşturmak avantaj sağlayabilir. Maliyet yönünden böyle bir çözüm bulunurken bu seferde kullanılan elektrot malzemelerinin kısa sürede yapısal değişikliklere uğraması gibi bir sorunla karşılaşılır2.
Yakın zamanda su elektroliz teknolojisinde ve CCU (karbondioksit yakalama ve kullanma) çift fonksiyonlu katalizörler kullanılmaktadır. Temel amacı tek bir katalizörden faydalanarak sudan eş zamanlı bir biçimde hidrojen ve oksijen üretmek olan yeni nesil bir katalizör teknolojisidir. Her iki elektrot için ayrı katalizörler kullanarak hidrojen üretilmektedir. Sentezlenmesi için bir üretim prosesi yeterli olabildiği çift fonksiyonlu katalizörler elektrokimyasal enerji dönüşüm teknolojilerinde ekonomik olarak maliyet azaltmasıyla üretimi konusunda dikkatleri üzerine almaktadır.
Genel kullanımda olan iki işlevli katalizörlerin ekonomik olmamaları dışında elektrokimyasal işlemden (hidrojen ve oksijen üretimi) sonra elektrot malzemelerinde yapısal değişikliklerin olası sonucu reaksiyon performansının azalması sorunu da vardır. Bunun önüne geçmek için katalizör yapısının reaksiyon işlemlerinden sonra uzun süre koruyabilen tersinirlik ve dayanıklılık sağlayabilmesini amaçlayan bir çalışma gerçekleştirildi3.
İki işlevli katalizörün tersinirliğini ve dayanıklılığını artırmak için pek çok sentez denendi bunların içerisinde üretim reaksiyonunda en yüksek performansa sahip Pt-Ni karışımı olduğu gözlemlendi3.
Nikel atomları bir alkali elektrolite daldırıldıktan sonra kolaylıkla oksitlenir. Aşınan yüzey temizlendikten sonra yüzeyde Ni-oksit olarak azalma gözlemlenir. Böylelikle geri kazanımın büyük oranda Pt-oksit atomları tarafından sağlanır. Bu sayede yüzeylerde önemli bir değişiklik ve bozulma olmadı görülmüştür2.
Araştırmacılar, katalizörün eski haline gelebildiğini transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ile kanıtladı. Küçük ölçeklerde gerçekleştirilen bu çalışmayı geniş alanlar kaplayabilen ve ticarette de kullanılabilecek nitelikte olan katalizörlerde de denediğinde aynı olumlu sonuçlar elde edilmiştir3.
Şekil 1. PtNi-okta HR-TEM görüntüsü.
KIST’in baş araştırmacısı olan Hyung-suk Oh, iki işlevli katalizörleri geliştirilmesi ile katalizörlerin tersine çevrilebilmesi ve dayanıklılıklarını geliştiren teknolojide ve elektrokimyasal enerji dönüşümü sistemlerinde önemli bir yön ivmesi sağladı. ’’URFC’ler gibi elektrokimyasal sistemlerin gelecekte ticarileştirilebileceğini ve karbon nötürlüğe katkıda bulacağını’’ ekledi3.
Kaynaklar
- Ko, Y. J., Kim, H., Lee, W. H., Han, M. H., Oh, C., Choi, C. H., … & Oh, H. S. (2023). Electrochemically robust oxide-supported dendritic Pt and Ir nanoparticles for highly effective polymer electrolyte membrane-unitized regenerative fuel cells. Journal of Materials Chemistry A, 11(11), 5864-5872.
- Oh, C., Han, M. H., Ko, Y. J., Cho, J. S., Pin, M. W., Strasser, P., … & Oh, H. S. (2024). Activity Restoration of Pt–Ni Octahedron via Phase Recovery for Anion Exchange Membrane‐Unitized Regenerative Fuel Cells (Adv. Energy Mater. 2/2024). Advanced Energy Materials, 14(2), 2470010.
- https://techxplore.com/news/2024-03-scientists-bifunctional-catalyst-technology-hydrogen.html