Temiz ve verimli bir enerji kaynağı olarak dikkat çeken hidrojen gerçekten çevre dostu mu? Günümüzde yaygın olarak kullanılan hidrojenin çoğu fosil yakıtlardan elde edilen gri hidrojendir. Üretim süreci sera gazı üretimine eşlik ettiğinden, gri hidrojenin çevre dostu olmadığı söylenebilir. Karbon emisyonu olmayan yeşil hidrojen dönemi henüz başlamamıştır.
Kore Standartlar ve Bilim Araştırma Enstitüsü (KRISS), koruyucu film ile kaplanmış bir fotoanot, güneş enerjisini kullanarak suyu moleküllerine ayırmak ve hidrojen üretmek için kullanılan bir yöntemde, uzun ömürlülük ve verimlilik açısından önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Bu durumun çevre dostu yeşil hidrojene geçişi hızlandırması beklenmektedir.
Yeşil hidrojen, yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak karbon emisyonu olmadan üretilir. Yeşil hidrojen üretmenin temsili bir yöntemi, doğrudan elektrolit içine daldırılan ve güneş ışığını emebilen fotoanot kullanılarak fotoelektrokimyasal su bölünmesidir. Sonuç olarak fotoanot, emilen güneş enerjisini kullanarak temas eden suyu doğrudan hidrojen ve oksijen atomlarına ayırır. Bununla birlikte, fotoanot alkalin elektrolit ile doğrudan temas halinde olduğundan, yüzey korozyonuna ve çözülmeye eğilim gösterir. Korozyonunu önlemek için fotoanotun temas yüzeyine koruyucu kaplama uygulanmalıdır.
Silikon (Si), uygun bant yapısı ve mükemmel şarj hareketliliği ile yüksek enerji dönüştürme verimliliği sağlar ve yaygın olarak kullanılan bir fotoanot malzemesidir. Tipik olarak, titanyum dioksit (TiO2) gibi oksit malzemeler, fotoanotlar için koruyucu filmler olarak kullanılır. Oksit malzemeler genellikle zayıf elektrik iletkenlik gösterirler. Ancak yük taşımacılığı için bir kanal görevi gören oksijen kusurları (Şekil 2) oluştuğunda iletkenlikleri çevre koşullarındaki değişikliklere karşı uyum sağlayarak iletkenlikleri modüle edilebilir. Fotoanotların ömrünü uzatmak için elektrot korozyonunu önleyecek, dayanıklı ve optimum elektrik iletkenliğini koruyabilen filmler geliştirilmelidir.
KRISS, hidrojen üretim verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için fotoanodun TiO2 koruyucu filmindeki oksijen kusurlarının seviyelerini sistematik olarak modüle etmek için dünyanın ilk teknolojisini geliştirdi. Oksijen kusurlarının yük transfer mekanizmasındaki rolünü araştırmak için araştırma ekibi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve elektrokimyasal analiz kullandı (Şekil 3). Fotoanot ömrünü ve hidrojen üretimini en üst düzeye çıkaran optimum kusur seviyelerini belirledi.
Üretim sürecinde koruyucu filmde kendiliğinden oluşan oksijen kusurlarına dayanan geçmiş çalışmalarının aksine bu araştırma, oksijen kusurlarının seviyelerini kontrol ederek seri üretime olanak sağlayan bir üretim yöntemi sundu.
Deneysel sonuçlara göre, koruyucu filmi olmayan fotoanot, bir saat içinde kullanım ömründe hızlı bir bozulma göstererek, hidrojen üretim verimliliğinin başlangıç durumuna göre %20’nin altına düşürmesine neden oldu. Öte yandan, optimize edilmiş koruyucu filme sahip fotoanot, 100 saat sonra bile %85’in üzerinde bir hidrojen üretim verimliliğini korudu.
Bu gelişme, fotoanotların verimliliklerini artırma ve ömürlerini uzatma potansiyeline sahip olduğunu ve fotoanota dayalı diğer tüm temiz teknolojilerde uygulanabileceğini göstermektedir. Karbondioksiti yakalayan ve güneş enerjisini kullanarak kimyasal bir enerji kaynağına dönüştüren kloroplastlarda bulunan fotosistem II (PSII) kompleksi fotoanot görevini üstlenir. Işık enerjisinin yakalanmasını, elektron taşınmasını ve suyun oksidasyonunu içeren reaksiyonları gerçekleştirmek için gerekli olan proteinlerin ve pigmentlerin düzenlenmesine hizmet eden PSII yapay fotosentez teknolojisinde kullanılabilir.
KRISS Disiplinlerarası Malzeme Ölçüm Enstitüsü’nün baş araştırmacılarından Dr. Ansoon Kim, “Bu yaklaşım, fotoanot ömrünü yaklaşık 10 kat artırabilir ve yeşil hidrojenin ticarileşmesine önemli ölçüde katkıda bulunabilir.” dedi.
KRISS, fotoanotların ömrünü, optimum oksijen kusurları seviyesini ve temel prensiplerini ortaya çıkarmak için daha fazla araştırma yapmayı planlıyor.
Muhammed TOSUN
Kaynaklar