Japonya’daki RIKEN Cluster for Pioneering Research araştırmacıları, Genki Kobayashi öncülüğünde hidrit iyonları (hidrojen anyonu) nın (H–) oda sıcaklığında taşınması için katı bir elektrolit geliştirdiler.
Hidrojen temelli enerji depolama ve yakıtın daha yaygın hale gelmesi için güvenli, verimli ve olabildiğince basit olması gerekir. Günümüzde elektrikli araçlarda kullanılan hidrojen temelli yakıt hücreleri, hidrojen protonlarının yakıt hücresinin bir ucundan diğer ucuna bir polimer membran aracılığıyla geçişini sağlamak koşuluyla enerji üretir.
Bu yakıt hücrelerinde yüksek hızlı hidrojen hareketinin verimli bir şekilde gerçekleşebilmesi için su gereklidir, bu da membranın kurumaması için sürekli suyla beslenmesi gerektiği anlamına gelir. Bu sınırlandırma, batarya ve yakıt hücresinin tasarımına karmaşıklık ve maliyet ekleyerek yeni nesil hidrojen temelli enerji ekonomisinin uygulanabilirliğini kısıtlar. Bu sorunu çözmek isteyen araştırmacılar, negatif hidrit iyonlarının özellikle de oda sıcaklığında iletimini mümkün kılacak katı bir madde geliştirme üzerine yoğunlaşmışlardır
Advanced Energy Materials dergisinde yayınlanan çalışmada, hidrit iyonlarının oda sıcaklığında iletimini mümkün kılan bir katı maddenin ilk bulgularını elde ettiklerini belirten Kobayashi, bir dönüm noktasına ulaştıklarını da ekledi. Araştırma sonuçlarına göre, hidrojen temelli enerji ekonomisine geçiş için gerekli olan hidrojen temelli katı hal pilleri ve yakıt hücrelerinin gelişmiş güvenlik, verimlilik ve enerji yoğunluğu gibi avantajları geliştirilebilir.
Araştırmacılar, hidrojenin görece kolay bir şekilde salınabilir ve yakalanabilir olması, hidrit iyon iletiminin yüksek olması, 100 derecenin altında çalışabilmesi ve kristal yapıya sahip olmasından dolayı bir süredir lantan hidritlerle çalışmaktaydı. Ancak oda sıcaklığında lantan hidritlerdeki hidrojen sayısının 2 ile 3 arasında dalgalı olmasından dolayı verimli bir iletim imkansız hale gelmekteydi. Bu çalışmada üstesinden gelinen en büyük engel olan bu sorun hidrojen sitokiyometrisizliği* olarak adlandırılmaktadır. Araştırmacılar, lantanın bir kısmını stronsiyumla değiştirip La1-xSrxH3-x-2yOy temel formülü için bir miktar oksijen eklediklerinde istedikleri sonuçları elde ettiler.
UV-NIR spektrumları malzemenin farklı dalga boylarındaki optik emilim özelliklerini gösterir ve malzemenin enerji bant yapısını değerlendirmek için kullanılır. Bir malzemenin iletkenliğini inceleyerek belirli uygulamalarda kullanmak üzere optimize edilmesine olanak sağlar.
Ekip, malzemeye bilyeli öğütme ve tavlama denilen işlemleri uygulayarak malzemenin kristal örneklerini hazırladı. Örneklerle oda sıcaklığında çalıştıklarında hidrit iyonlarını yüksek bir hızda iletebildiklerini keşfettiler. Ardından, formüldeki stronsiyum ve oksijen miktarlarını değiştirerek titanyum ve yeni malzemeden yapılma katı hal hücresinin performansını test ettiler. Stronsiyumun en az 0,2 optimum değeriyle, titanyumun titanyum hidrüre (TiH2) %100 dönüşümünü gözlemlediler. Bu aynı zamanda hidrit iyonlarının neredeyse hiçbir kısmının israf edilmediği anlamına gelmekteydi.
Kobayashi “Kısa vadede, sonuçlarımız hidrit iyonu ileten katı elektrolitler için malzeme tasarım kılavuzluğu sağlıyor. Uzun vadede ise, inanıyoruz ki bu gelişme hidrojen kullanarak çalışan piller, yakıt hücreleri ve elektrolitik hücreler için bir dönüm noktası.’’ diye de ekledi.
Sıradaki adım ise performansı artırmak ve hidrojeni tersine bir şekilde emebilen ve serbest bırakabilen elektrot malzemeleri geliştirmek olacaktır. Bu adım pillerin yeniden şarj edilmesini mümkün kılacak ve hidrojenin gerektiğinde depolanmasını ve gerektiğinde de serbest bırakılmasını sağlayacak ki bu da hidrojen bazlı enerji kullanımı için bir gerekliliktir.
*Bir bileşikte hidrojenin oranının belirsiz olduğu durum.
Kaynaklar
1. https://techxplore.com/news/2023-12-material-hydrogen-based-batteries-fuel-cells.html
2. Izumi, Y., Takeiri, F., Okamoto, K., Saito, T., Kamiyama, T., Kuwabara, A., & Kobayashi, G. (2023). Electropositive Metal Doping into Lanthanum Hydride for H− Conducting Solid Electrolyte Use at Room Temperature. Advanced Energy Materials, 13(43), 2301993.
Hidrojen üretim ve depolama olabildiğince pahalı olduğundan yeni yöntemlerin aranması ve üzerinde yapılan son bilimsel çalışmaları güzel bir haber şeklinde sunmanız çok bilgilendirici olmuş, kaleminize sağlık.