Hidrojen üretiminde elektrolizör bipolar elektrot malzeme

Yenilenebilir enerji bilinci arttıkça hidrojen enerjisi üzerine de çalışmaların bir o kadar arttığı gözlenmektedir. Hidrojen üretiminde iki adıma sahip su elektrolizinin kararlılığını ve verimliliğini artırmak amacıyla kobalt katkılı nikel hidroksit bipolar elektrotlar ve soy metal olmayan katalizörler; Çin Bilimler Akademisi’nin Hefei Fizik Bilimleri Enstitüsü’nden Prof. Chen Changlun liderliğindeki bir araştırma ekibi tarafından geliştirildi. Sonuçlar Chemical Engineering Journal ve Journal of Colloid and Interface Science dergilerinde yayınlandı.

Alkali elektrolizörlerin verimlerinin düşük olması, üretilen hidrojen ve oksijen gazları içerisindeki safsızlıklar, çalışma sırasında elektrot tabakalarının korozyonu sebebiyle zamanla verimin düşmesi gibi dezavantajları bulundurmaktadır¹. Ancak iki adımlı su elektrolizi, bipolar elektrot yardımıyla hidrojen ve oksijen safsızlıkları sorununu ortadan kaldırır ve oldukça yüksek maliyetli membran ihtiyacını ortadan kaldırır.

Buradaki önemli nokta, bipolar elektrot malzemeleri daha yüksek performanslı hale getirmek ve verimli hücre tasarımlarını geliştirmektir. Fakat yaygın olarak kullanılan nikel hidroksit elektrotlar olumlu yönler dışında yüksek maliyet, şarj/deşarj oranları açısından sınırlamalar içermektedir².

Araştırmacılar, iletkenlik ve elektronik depolama performansını artırmak amacıyla tek adımlı elektrokaplama yöntemi kullandılar. Bu yöntem karbon kumaş üzerinde kobalt katkılı esnek nikel hidroksit bipolar elektrotlar için kullanılırken hidrojen üretimi sırasında parazitik oksijen üretiminin de önüne geçildi. Bu tür parazitik reaksiyonların hücre bileşenlerinin sürekli tüketimi ve çözünmeyen yan ürün birikiminde etkili olduğu bilinmelidir³.

Ayrıca yüksek dayanıklılığa ve aktif özelliğe sahip molibden katkılı nikel-kobalt fosfit ve plazma kaynaklı demir kompozit kobalt oksit bifonksiyonel elektrotlar gibi soy metal olmayan katalizörler üzerinde çalışmalar yaptılar. Bu çalışmalarda yüksek ayırma verimliliği, düşük hücre voltajı, yüksek enerji dönüşüm verimliliği gibi önemli sonuçlar elde edildi. Bu sonuçlara ulaşılmasında ise geliştirilen elektrotların akım yönünü değiştirerek farklı yer ve zamanlarda hidrojen ve oksijen üretimine olanak sağlaması etkili oldu.

Bu gelişmelerin ardından iletkenlik, kararsızlık ve sınırlı kapasite gibi sorunlara sahip katmanlı çift hidroksit (LHD) elektrotları da geliştiren araştırmacılar; termal olmayan plazma teknolojisi ile azot katkılı nikel-kobalt LDH ve azot katkılı indirgenmiş grafen oksit/nikel-kobalt LDH elektrotları üreterek kapasite ve iletkenliği önemli ölçüde arttırdı.

Prof. Changlun iki adımlı su elektrolizine yönelik; performans göstergelerinde, küresel olarak gelişmiş göstergelerle senkronize edildiği ve endüstriyel operasyona doğru önemli bir adım anlamına geldiğini söyledi. Bir yandan hidrojen depolama için yeni yöntemler aranırken; iki adımlı su elektrolizinin büyük ölçekli hidrojen depolama ve 5G baz istasyonları, veri merkezleri gibi uygulamalar için  umut vadettiği belirtildi.

Kaynaklar

1. B. Kocaman, “Mikro Şebekeler için Örnek Bir Enerji Yönetimi Uygulaması”, Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, vol. 3, no. 1, pp. 35–52, 2014, doi: 10.17798/beufen.05193.
2. Özcan, Ö. F., Karadağ, T., Altuğ, M., Özgüven, Ö. (2021). Elektrikli Araçlarda Kullanılan Pil Kimyasallarının Özellikleri ve Üstün Yönlerinin Kıyaslanması Üzerine Bir Derleme Çalışması. Gazi University Journal of Science Part A: Engineering and Innovation, 8(2), 276-298.
3. Zhang, P., Ding, M., Li, X., Li, C., Li, Z., & Yin, L. (2020). Challenges and Strategy on Parasitic Reaction for High‐Performance Nonaqueous Lithium–Oxygen Batteries. Advanced Energy Materials, 10(40), 2001789.