Hidrojen yakıt hücresi Grafen nanocepli nanokatalizörler

İklim krizini engellemenin bir yolu karbon emisyonlarını azaltmaktan geçmektedir. Bunu sağlamak için fosil yakıtlar yerine yakılması durumunda atmosfere sadece su buharı yaymasından dolayı hidrojen kullanılabilir. Hidrojeni bir güç kaynağı olarak kullanmak için platin gibi pahalı ve çok bulunmayan metaller katalizör olarak kullanılmaktadır. Günümüzde bu metalleri kullanarak aynı miktarda güç elde etmek için elde edebileceğimizden daha fazlası gerekecektir. Hidrojeni, araçlarda yakıt olarak kullanabilmek için masrafının ve gereken malzeme miktarının günümüzdekinden bir hayli az olması gerekir.

UCLA (Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles) profesörünün yönettiği araştırmaya göre grafenden yaptıkları bir nanocebe gömülmüş platin-kobalt alaşımının kristallerini kullanarak DOE (Enerji Bakanlığı) tarafından belirlenen hedefleri karşılamalarını sağlayan bir rapor verilmiştir. Araştırma sonuçları Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanmıştır.

DOE’nin katalizörler için belirlediği katı standartlar ile karşılaştırıldığında, grafen sarılı alaşım inanılmaz sonuçlar verdi. Bu sonuçlara göre yeni araştırmanın DOE standartlarından:

• %65 daha fazla güç

• 75 kat daha fazla katalitik aktivite

• Yakıt hücresinin tahmin edilen ömrünün sonunda yaklaşık %20 daha fazla katalitik aktivite
• İlk kez 5.000 saat hedefini aşarak 6.000 -7.000 saatlik kullanımı simülasyon testinden sonra yaklaşık %35 daha az güç kaybı
• Her araç için yaklaşık %40 daha az platin kullanımı

sağlanmıştır.

UCLA Samueli Mühendislik Okulu‘nda Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü başkanı ve profesörü Yu Huang: “Bu daha önce yapılmamıştı, bu keşif biraz tesadüf içeriyor. Daha küçük parçacıkları kararlı hale getirebilecek bir şey üzerinde olduğumuzu biliyorduk, fakat bu kadar iyi çalışmasını beklemiyorduk.” dedi¹.

Günümüzde, küresel platin ve benzeri metal arzının yarısı, fosil yakıtlarla çalışan araçlardaki katalitik konvertörlerde emisyonlarının zararını azaltmak için kullanılıyor. Araç başına 2-8 gram platin gerekiyor. Mevcut hidrojen yakıt hücresi teknolojisi ile araç başına 36 gram platin kullanılıyor. Bu miktar Huang ve ekibinin tasarımında her araç için 6,8 gram platin kullanılacaktır².

Platin bazlı katalizörü ortalama 3 nm uzunluğunda parçalara ayırdılar. Bir A4 kâğıdının kalınlığı bu parçaların yaklaşık 41.000 kat kadar fazladır. Bu parçalar ne kadar küçük olursa yüzey alanı o kadar fazla olur. Yüzey alanının fazla olması demek katalitik aktivitenin gerçekleşeceği daha fazla alan demektir fakat yakıt hücresi katalizörlerini küçültüp daha fazla verim elde etmek isterken bir yandan parçaların çok küçük olmasından dolayı dayanıklılık düşmektedir.

Huang ve ekibi, katalizör parçacıklarını 2 boyutlu malzeme grafeninde zırhladılar. Kömür ve kurşun kalemlerde görülen dökme karbonlarla karşılaştırıldığında bu ince karbon katmanlar ısı ve elektriği daha verimli bir şekilde iletir ve aynı kalınlıkta çelikten 100 kat daha fazla mukavemet gösterir. Platin-kobalt alaşımları parçacık haline getirilerek yakıt hücrelerine bütünleştirilmeden önce parçacıklar, ticari araçlar için gerekli dayanıklılık seviyesini karşılamaya yarayan parçacıkların yer değiştirmesini engelleme görevini sağlayan nanoceplerle çevriliydi. Aynı zamanda grafen elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleşebileceği her katalizör nanoparçacığın etrafında yaklaşık 1 nanometrelik boşluklar sağladı.

Huang: “Parçacığın üzerine, reaksiyonun devam etmesine izin veren ancak parçacığı o yerde hapseden bir kapak koyarsanız, bu kadar küçük ölçekte elde edilmesi çok zor olan dayanıklılık sorununu çözecektir.”

Bu araştırma hidrojen yakıt hücrelerinde çok büyük bir ilerleme sağlamış ve araştırma sayesinde hidrojenin yakıt olarak araçlarda kullanılması için çok büyük bir adım atılmıştır. Huang ve ekibi gibi araştırmacılar yeşil enerji ve sürdürülebilir enerji kullanımının daha yaygın hale gelebileceğini bizlere göstererek dünyanın şimdikine kıyasla çok daha temiz ve iyi bir hale geleceğine inanmamızı sağlıyor ve bu yolda çalışıyor.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2022-08-hydrogen-fuel-cell-advance-doe-set.html
2. Zhao, Z., Liu, Z., Zhang, A., Yan, X., Xue, W., Peng, B., … & Huang, Y. (2022). Graphene-nanopocket-encaged PtCo nanocatalysts for highly durable fuel cell operation under demanding ultralow-Pt-loading conditions. Nature Nanotechnology, 1-8. https://doi.org/10.1038/s41565-022-01170-9