Stockholm’deki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’ndeki İsveç’teki araştırmacılar, hidrojen enerjisi üretimine çığır açan bir yaklaşım getirdiler. Bu yenilikçi yöntem, oksijen ve hidrojen gazlarının ayrıştırarak standart elektroliz prosesinde devrim yaratıyor. Bu yeni yöntem, geleneksel sistemlerden farklı olarak gazların ayrı ayrı üretilmesini sağlayarak, gaz karışımından kaynaklanan patlama riskini azaltıyor1.
Esteban Toledo ve uygulamalı fizik profesörü Joydeep Dutta’nın Science Advances dergisinde yayınlanan araştırmasında, bu süreçte nadir toprak metallerinin kullanımını ortadan kaldırıyorlar. Bu ilerleme, geleneksel elektroliz yöntemleriyle ilişkili kritik güvenlik endişelerini gidermektedir.
Suyun parçalanması yoluyla hidrojen üretiminin önemi, karbondan arındırma stratejilerine olan acil ihtiyaç ve yenilenebilir enerji kaynaklarının giderek daha fazla benimsenmesi nedeniyle daha da önem kazanmıştır. Hidrojen üretimi için termokimyasal işlemler, fotokataliz, fotoelektrokimyasal yöntemler ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılmaktadır. Suyun elektrolizi, su ve temiz enerji girdilerini kullanarak yeşil hidrojen üretiminin ve minimum CO2 emisyonuna yol açmanın önemli bir yöntemi olarak öne çıkıyor.
Dört temel su elektroliz teknolojisinin (alkali su elektrolizörü, proton değişim membranlı elektrolizörü (PEM), anyon değişim membranlı elektrolizörü (AEM) ve katı oksit elektrolizörü (SOE)) küresel çapta kullanıma sunulması, bu yaklaşımın çok yönlülüğünü göstermektedir. Alkali elektroliz, toprakta bol miktarda bulunan katalizörlerle yaygın olarak uygulanan bir çözüm sunarken, PEM elektrolizörleri daha yüksek üretim oranları sağlar ancak platin grubu metallere (PGM’ler) ve aside dayanıklı membranlara ihtiyaç duyar. AEM teknolojisi, membran avantajlarını alkalin elektrolitlerin hafif aşındırıcılığı ile birleştirir. Gelişmiş enerji verimliliği potansiyeline sahip KİT, yüksek sıcaklıklar gerektirir ve henüz geliştirme aşamasındadır.
Hidrojen üretim teknolojilerindeki bu entegre yaklaşım, yenilikçi güvenlik önlemleri ile küresel teknolojik gelişmelere yol açabilir. Yeni hidrojen üretim yönteminin başarılı bir şekilde geliştirilmesinin ardından iki araştırmacı, sistem için bir patent alındı ve Caplyzer AB şirketi bu yenilikçi teknoloji ticarileştirme ve ölçeklendirme görevini üstlendi.
Hidrojen gazı üretim sürecinin verimliliği, %99‘luk bir Faradaik verimle övünen olağanüstü sonuçlar ortaya koydu. Ayrıca uzun süreli testler sırasında elektrotlarda fark edilebilir bir bozulma olmadığını gösterdi.
Hidrojen üretimi alanında, standart elektroliz sürecini geliştirmek için bir elektrokimyasal hibrit bir sistem tasarlandı. Bu sistem, hidrojen ve oksijen üretimini mekansal veya zamansal olarak ayırmak için elektrokatalitik reaksiyonları kapasitif depolama mekanizmalarıyla birleştirir. Güçlü Katyon Değişim (Strong Cation Exchange, SCE) sistemi olarak bilinen sistem, sürekli hidrojen üretimini sağlamak için iki özdeş hücreden oluşuyor.
İki aşamalı sürecin operasyonel çerçevesi farklı şarj ve deşarj aşamalarını içerir. Şarj aşaması sırasında, katodik hücre içindeki iki işlevli bir elektrot, hidrojen oluşum reaksiyonunu (HER) katalize ederek yalnızca katodik hücrede hidrojen üretir. Aynı zamanda, anodik hücredeki iki işlevli elektrot, yalnızca anodik hücrede oksijen üreterek oksijen oluşum reaksiyonunu (OER) kolaylaştırır. Reaksiyonların ayrı odalar içinde ayrılması, membran ihtiyacını ortadan kaldırır ve verimli gaz ayırmayı destekler.
Her hücrede yardımcı elektrotların yüklenmesi, süper kapasitör depolama mekanizmalarına benzer bir elektrokimyasal çift tabakanın oluşmasına neden olur. Katodik hücrede, kapasitif elektrot OH- iyonlarını adsorbe ederken, anodik hücrede K+ iyonlarının adsorpsiyonu, KOH alkalin hücrede elektrolit olarak görev yaptığında meydana gelir. Bu yenilikçi elektrokimyasal sistem, yalnızca hidrojen üretim verimliliğini artırmakla kalmıyor, aynı zamanda hidrojen ve oksijen gazlarının güvenli ve sürdürülebilir üretimini sağlıyor.
Sudan hidrojen üretmek, doğası gereği oksijen üretimini de içerir. Tipik bir alkalin elektrolizör düzeneğinde, pozitif ve negatif elektrot, iyon geçirgen bir bariyerle ayrılmış, alkali su dolu bir odacık içine alınır. Elektrik akımı uygulandığında su, katotta reaksiyona girerek hidrojen ve negatif yüklü hidroksit iyonları üretir. Bu iyonlar bariyeri aşarak oksijenin üretildiği anoda ulaşır.
Bununla birlikte, iyon geçirgen bariyerin varlığı direnç oluşturur ve elektrik yükündeki dalgalanmalar, oksijen ile hidrojen arasında tehlikeli bir karışım oluşması riskini artırabilir ve bu da patlamalara yol açabilir.
Araştırmacılar, bu zorluğun üstesinden gelmek için yeni bir yaklaşım geliştirilip, elektrotlardan birinin yerine karbondan yapılmış süper kapasitif bir elektrot yerleştiriyorlar. Bu özel elektrotlar, iyonları döngüsel olarak depolayıp serbest bırakarak, hidrojen ve oksijen üretimini etkili bir şekilde ayırıp daha verimli bir şekilde çalıştığını gözlemlediler.
Kapasitif aracılı elektrolizin uygulanabilirliğini değerlendirmek ve önerilen hipotezi doğrulamak için, yardımcı elektrot olarak ticari aktif karbon kumaşın (ACC) yanı sıra Pt/C gibi geleneksel bir hidrojen evrim reaksiyonu (HER) katalizörünü içeren bir sistem tasarlandı. Sistemin operasyonel çok yönlülüğünü göstermek için hem asidik hem de alkalin elektrolitlerle testlere tabi tutuldu.
Pt/C katalizörünün ayrıntılı karakterizasyonu gerçekleştirilerek hem asidik hem de alkali ortamlarda HER katalizörüne karşı olağanüstü elektrokatalitik performansı incelenmiş asidik ve alkali ortamda 10 mA/cm² akım yoğunluğunda sırasıyla 55 mV ve 77 mV aşırı potansiyel sergilemiştir. Bununla birlikte, Pt/C, oksijen oluşum reaksiyonuna (OER) karşı sınırlı bir aktivite sergiledi; alkalin koşullarda daha yüksek akım yoğunluklarında daha hızlı kinetik gözlemlendi. 10 mA/cm²’lik bir akım yoğunluğuna ulaşmak için gereken aşırı potansiyeller alkali ve asidik ortamlarda sırasıyla 643 mV ve 616 mV olarak ölçülmüştür.3
ACC’nin kapasitif depolama yetenekleri, alkali ortamda döngüsel voltamogramın yarı dikdörtgen şekliyle örneklenirken, asidik ortamda tersinir redoks çiftleri gözlendi. Bu, Süper Kapasitif Elektroliz (SCE) konseptinin, suyun bölünmesinin iki katalitik reaksiyonunu mekansal olarak ayırma ve geniş bir pH aralığında çalışmayı mümkün kılma konusundaki etkinliğini vurgulamaktadır. Umut verici sonuçlara rağmen, Pt/C’ye dayalı sistem, Pt’nin sınırlı OER aktivitesi nedeniyle yüksek hücre voltajı gerektirir ve bu da elektrokatalizör aktivitesinin enerji tüketimi ve verimliliği belirlemedeki kritik rolünü vurgular.
Elektroliz sürecinde süper kapasitör, hidrojen ve oksijen üretiminde çok önemli bir rol oynar. Elektrot negatif olarak yüklendiğinde ve hidrojen ürettiğinde, süper kapasitör enerji açısından zengin hidroksi (OH) iyonlarını depolar. Akım yönünün tersine çevrilmesi üzerine, süper kapasitör emilen OH iyonlarını serbest bırakır ve bu da artık pozitif olan elektrotta oksijen üretimine yol açar. Bu mekanizma, devreyi tamamlamak için gerekli olan enerjiyi depolamak ve serbest bırakmak arasında geçiş yapan süper kapasitör ile şarj edilebilir bir pile benzer.
Ayrılmış elektroliz sisteminin etkinliğini daha fazla göstermek için, hem hidrojen oluşum reaksiyonunu (HER) hem de oksijen oluşum reaksiyonunu (OER) katalize edebilen oldukça aktif bir elektrokatalizör gereklidir. Geçiş metali bazlı fosfitler, özellikle kobalt-demir fosfit (CoFeP), alkali ortamlardaki sağlam elektrokatalitik performansları ve stabiliteleriyle tanınır. CoFeP iki işlevli katalizörünün hazırlanması, nikel köpüğü üzerinde tek adımlı bir galvanostatik elektro-çökeltme yöntemi içerdiği görüldü.
Elektrobiriktirme işlemi, üç elektrotlu bir düzenekte titizlikle yürütüldü; bu, taramalı elektron mikroskobu yoluyla tek ve bimetalik fosfitlerin başarılı bir şekilde biriktirdiği doğrulandı. Görüntüler, elektrokaplama sırasında uygulanan yüksek akım yoğunluğuna atfedilen belirgin dentritik büyüme ile CoFeP için yaklaşık 1 mikron kalınlığında düzgün ve yoğun bir katman oluştuğu gözlemlendi. Buna karşılık CoP daha az dentritik büyüme ve daha pürüzsüz bir yüzey dokusu sergiledi. Gözenekli Ni köpük substrat üzerindeki dendritik yapı, aktif bölgelere daha iyi erişim sunar, gazlı yan ürünlerin bir akış tasarımında verimli bir şekilde uzaklaştırılmasını ve katalitik işlemler için geniş yüzey alanına sahip üç boyutlu iletken bir çerçeve oluşmasını sağlar.
Elektrolizde süper kapasitörleri ve yüksek performanslı çift işlevli katalizörlerin geliştirilmesini birleştiren bu çok yönlü yaklaşım, verimli ve sürdürülebilir hidrojen üretim teknolojilerinin ilerletilmesindeki yenilikçi adımların altını çiziyor.
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2024-03-hydrogen-method-simpler-safer.html
- Toledo-Carrillo, E. A., García-Rodríguez, M., Sánchez-Moren, L. M., & Dutta, J. (2024). Decoupled supercapacitive electrolyzer for membrane-free water splitting. Science Advances, 10(10), eadi3180.
- Yang, X., Nielsen, C. P., Song, S., & McElroy, M. B. (2022). Breaking the hard-to-abate bottleneck in China’s path to carbon neutrality with clean hydrogen. Nature Energy, 7(10), 955-965.