Hidrojeni depolamak için kullanılan basınçlı tanklar veya soğutularak depolama sistemleri gibi maliyetli ve ekstra enerji tüketen sistemlerin yerine, nanoparçacıklı basit depolama sistemlerinin keşfi son derece uçucu gazların kullanımıyla uçaklar, gemiler ve kamyonlar için iklim dostu yakıtlar sağlayabilecektir. Hidrojen gazının üretim şekline bağlı olarak iklim dostu çelik ve çimento üretimine yol açacak gelecek için umut vaadeden bir enerji taşıyıcısı olarak kabul ediliyor.
Grafen destekli paladyum (Pd) nanokümelerinin atomik yapısı ve bunların hidrojenle etkileşimini oda sıcaklığında atmosferik basınçlara kadar X-ışını kırınımı ve taramalı tünelleme mikroskobu ile araştırmalar yapılmıştır. 1,2 nm çapındaki iridyum (Ir) tohumlu Pd süper kafes yapısının grafen/Ir(111)’in hareli yüzeyinde yüksek yapısal mükemmellik ile büyütülebileceği keşfedilmiştir. Süper kafes yapısının yeniden hibritleştirilmiş grafen aracılığıyla kümelerin üzerine %2’lik düzlem içi sıkıştırma uygulanan Ir desteğine sabitlenir. 10 mbar basınç ve oda sıcaklığında hidrojene maruz kalma esnasında kümelerin öenmli bir kısmı süper kafes yapıdan ayrılır. Yapıdan ayrılan kümeler düzlem içi ve dışı genleşme gösterirken yapıda kalan kümeler sadece düzlem içi genleşme gösterirler. Kümelerin çoğu 1 bar basınca maruz kaldıktan sonra hidrojenle yüzey etkileşimleri ve grafen desteğiyle olası dökülme nedeniyle süper kafes yapısından ayrılır. Sabitlenmemiş kümeler için daha belirgin olarak sadece küçük bir sinterleme işlemi gözlemlenmiştir. Sonuçlar grafen üzerindeki ultra küçük Pd kümelerinin hidrojen depolama gecikmesinin azaltıldığı kararlı bir hidrojen depolama sistemi olduğuna ve hidrojenin kimyasal tutunması için geniş bir yüzey alanı barındırdığına dair kanıtlar vermektedir1.
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)’den Andreas Stierle: “Pd’nin hidrojeni bir sünger gibi emebileceği önceden beri biliniyordu. Şimdiye kadar malzemeden hidrojeni ayırmak sorun teşkil etmiştir. Bu yüzden sadece 1 nm çapında olan Pd parçacıklarını deniyoruz.” dedi3.
Küçük parçacıkları sağlamlaştırmak için, doğada nadir bulunan Ir’den yapılmış bir çekirdek tarafından stabilize edildikten sonra çok ince bir grafen tabakasına bağlanırlar. Stierle: “Pd parçacıklarını sadece 2,5 nm aralıklarla grafene bağlayabiliyoruz.” dedi. DESY’nin X-ışını kaynağı PETRA-III, Pd parçacıkları ve hidrojenle temas ettiğinde hidrojen nanoparçacıklarının yüzeyine yapışır, neredeyse hiç içeri girmezler. Nanoparçacıkların yapısı fındıklı çikolataya benzetilebilir. Merkezde bir iridyum somunu, fındıklar yerine paladyum tabakaları bulunur ve bunun etrafı çikolata yani hidrojen ile kaplıdır. Depolanan hidrojeni kullanmak için sisteme az miktarda ısı verilmesi yeterli olacaktır. Böylelikle sistemde depolanan hidrojen, parçacık yüzeyinden gaz formuyla hızla ayrılacaktır.
Stierle: “Bu yeni yöntemi kullanarak hangi depolama yoğunluklarına ulaşabileceğimizi gözlemlemek istiyoruz. Bununla birlikte pratik uygulamalara geçmeden önce bazı sorunlar çözülmelidir. Örneğin karbon yapılarının diğer formları grafenden daha uygun taşıyıcılık özelliğine sahip olabilir. Uzmanlar küçük gözenekleri olan karbon süngerlerini kullanmayı düşünüyorlar, içlerine önemli miktarda Pd nanoparçacık sığdırabilirler.” dedi.
Okan Şener
Kaynaklar
- Franz, D., Schröder, U., Shayduk, R., Arndt, B., Noei, H., Vonk, V., … & Stierle, A. (2021). Hydrogen Solubility and Atomic Structure of Graphene Supported Pd Nanoclusters. ACS nano, 15(10), 15771-15780. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01997
- Chemical, F. O. R., Of, I., Atoms, I., & Stm, W. (2015). Corso di Laurea Magistrale in Fisica Gaetano Calogero A VAN DER WAALS DENSITY FUNCTIONAL STUDY OF Alla zia. 111.
- https://phys.org/news/2021-12-team-nano-chocolates-hydrogen.html