Hidrojen, temiz bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Dünyanın yüzde 9.5’i hidrojenden oluşmaktadır. Buna rağmen hidrojen doğada direkt bir enerji kaynağı olarak bulunmaz. Bunun için bir takım reaksiyonlara uğraması gerekir. Hidrojen üretimi için gerekli olan reaksiyon, özellikle alkalin ortamlarda yavaş işlemektedir. Bu nedenle, reaksiyonu hızlandırmak için etkili bir katalizöre ihtiyaç vardır.
Platin, bu reaksiyon için mükemmel bir katalizördür ancak nadir ve pahalıdır. Bu nedenle, platin kullanımını azaltmak ve maliyeti düşürmek için yeni yöntemler araştırılmaktadır. Bu bağlamda, araştırmacılar, platin bazlı, yeni bir tek atomlu katalizör geliştirdiler. Bu katalizör, yenilenebilir enerjiyi hidrojen olarak depolamak için büyük bir potansiyele sahiptir.
Bir grup araştırmacı, TMD malzemelerinin kristal fazını kontrol etmek için yeni bir yöntem geliştirdiler. Bu yöntem, tek atomlu platin esaslı yeni bir katalizörü tanıtmaktadır. Bu katalizör, suyu elektroliz ederek hidrojen üretmek için kullanılabilir. Hidrojen, temiz bir yakıt ve önemli bir kimyasal hammaddedir. Ancak, hidrojen üretimi için gerekli olan hidrojen evrim reaksiyonu (HER), özellikle alkalin ortamlarda yavaş işlemektedir. Bu nedenle, reaksiyonu hızlandırmak için etkili bir katalizöre ihtiyaç vardır1.
Kimya Bölümü’nden Profesör Anthony Kucernak, Birleşik Krallık Hidrojen Stratejisi’nin 2030 yılına kadar 10 GW düşük karbonlu hidrojen üretim kapasitesine ulaşma hedefini belirtip; bu hedefi kolaylaştırmak için, ucuz, üretimi kolay ve verimli hidrojen depolama üretimine ihtiyaç olduğunu söyledi. Yeni elektrokatalizörün bu hedefe önemli bir katkıda bulunacağını ve sonunda Birleşik Krallık’ın 2050 yılına kadar net sıfır hedefine ulaşmasının kolaylaşacağını vurguladı.
Rüzgâr ve güneş gibi kaynaklardan yenilenebilir enerji üretimi hızla artmakta, ancak hava koşulları enerji üretimine her zaman uygun olmadığından üretilen enerjinin bir kısmının elverişsiz koşullar için depolanması gerekmektedir. Bunu yapmanın bir yolu ise, daha sonra kullanılmak için depolanıp, taşınabilecek olan enerjiyi hidrojen biçiminde kaydetmektir.
Yenilenebilir enerji, hidrojen atomlarında depolanan enerjiyle su moleküllerini hidrojen ve oksijene ayırmada kullanmakta; uygulanan yönteme de elektroliz adı verilmektedir. Elektroliz, su molekülünü parçalayan bir reaksiyonu teşvik etmek amacıyla platin katalizörleri kullanır. Ancak platin, reaksiyon için mükemmel olmasının yanında nadir ve pahalıdır. Bu nedenle kullanımını azaltmak, maliyeti düşürmek için yapılan deneylerde platin ekstraksiyonu kısıtlanmaya çalışılmıştır.
Ardından bir ekip tarafından, elektroliz yönteminde maliyeti azaltmak, suyu ayrıştırmak için verimli ve uygun maliyetli bir platform üreterek mümkün olduğunca az platin kullanan bir katalizör tasarladı ve test etti.
Profesör Zhang Hua, elektrokatalitik su ayrıştırılması ile üretilen ve en temiz enerjilerden biri kabul edilen hidrojen hakkında, yakın gelecekte fosil yakıt kullanımının azalmasında ve çevre kirliliğinin önlenmesinde etkili olacağını belirtti2.
Araştırmacılar, MoS2’nin yüzeyinde tek atomlu Pt büyümesini sağlamak için bir faz bağımlı büyüme (PDG) yöntemi geliştirdiler. Bu yöntem, MoS2’nin farklı fazlarına göre Pt’nin yüzeyine bağlanma enerjisini ve dağılımını değiştirmektedir. PDG yöntemiyle elde edilen Pt/MoS2 katalizörünün reaksiyon için yüksek aktivite gösterdiğini ve ticari Pt/C katalizöründen daha iyi performans sergilediğini bulunmuştur. Ayrıca, PDG yönteminin diğer geçiş metali dikalkojenit(TMD) malzemeleri üzerinde de uygulanabileceğini ve farklı reaksiyonlar için yeni katalizörler tasarlamak için bir platform sağlayabileceğini öne sürmüşlerdir.
Çözeltiyle işlenebilen iki boyutlu MoS2 nanotabakasının ortam koşullarında Pd, Pt ve Ag nanoyapılarının epitaksiyel büyümesini (kristal yapıyı bozmadan sürdürrebilmek) yönlendirmek için kullanılabileceği gösterilmiş ve daha da önemlisi, Pt-MoS2 hibrit nanomalzemeler, aynı Pt yüklemesine sahip ticari Pt katalizörlerle karşılaştırıldığında, hidrojen oluşum reaksiyonuna karşı çok daha yüksek elektrokatalitik aktivite sergilemiştir. Bu sebeple ıslak kimyasal reaksiyon yoluyla nano yapıların nano tabaka şablonlu epitaksiyel büyümesinin, yeni fonksiyonel malzemelerin kolay ve yüksek verimli üretimine yönelik umut verici bir strateji olduğu da belirtilmiştir1.
Hidrojen kullanımı
Yenilenebilir enerji, hidrojen olarak depolandıktan sonra, onu tekrar elektrik şeklinde kullanmak için, oksijenin parçalanması ve reaksiyonunun bir yan ürünü olarak su buharı üreten yakıt hücreleri kullanılarak dönüştürülmesi gerekmektedir. Son zamanlarda Profesör Kucernak ve meslektaşları tarafından yapılan çalışmalarda, bu reaksiyon için maliyeti azaltıp aynı zamanda verimi artırmak amacıyla platin yerine demir bazlı, tek atomlu bir katalizörü ortaya çıkarılmıştır.
Kucernak liderliğindeki bir diğer şirket, bu teknolojiyi yakıt hücrelerinde test edecek ve her iki tek atomlu katalizörden biri yenilenebilir enerjiyi hidrojen depolamaya dönüştürmeye yardımcı olurken diğeri ise enerjinin daha sonra elektrik olarak serbest bırakılmasına yardımcı olduğu için hidrojen ekonomisini gerçeğe yaklaştıracak güce sahip olduğu belirtilmiştir3.
Kaynaklar
1- Zhenyu Shi et al, Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06339-3
2- https://techxplore.com/news/2023-09-cheap-efficient-catalyst-boost-renewable.html