Bir yakıt olarak hidrojen gazı fosil yakıtlara kıyasla temiz ve yenilenebilir bir gaz olmasına karşı hidrojen üretmek için halihazırda bulunan üretim yöntemleri çevreye karbon salmakta ve çevreyi kirletmektedir.
Hidrojenin fosil yakıtlara alternatif olarak görülmesinin sebebi yüksek gravimetrik enerji yoğunluğu, yüksek ısı dönüşüm verimliliği ve sıfır karbon emisyonuna sahip olmasındandır. Bununla beraber, doğal gazın ve metanolün buharla reformasyonu ve gazlaştırılması da dahil olmak üzere endüstride yaygın olarak uygulanan gri hidrojen üretim yöntemleri fosil yakıt tüketiyor ve ciddi kirliliğe neden oluyor.
Suyun elektrolizi ile elektrik kimyasal enerjiye dönüştürülerek yüksek saflıkta hidrojen üretilir. Burada kullanılan elektrik özellikle yenilenebilir kaynaklardan elde ediliyorsa yeşil hidrojen olarak isimlendirilir ve bu temiz, gelecek vaat eden bir teknolojidir.
Kimya mühendislerinden oluşan bir grup araştırmacı, elektrik yardımıyla su moleküllerini hidrojen ve oksijene ayırırken suyun elektrolizi için harcanan enerji miktarını minimuma indiren verimli bir katalizör üretmiştir.
Nikel köpüğe sabitlenmiş karbon bileşiği NiFeMo-PC (nikel-demir-molibden-fosfit) olan yeni bir katalizör, sudan hem hidrojen hem de oksijen eldesinde harcanan elektriği önemli derecede azaltmıştır. Böylece hidrojen üretiminde daha verimli ve daha temiz bir yol sağlanmıştır1.
Hidrojen ve oksijen, sırasıyla hidrojen oluşum reaksiyonu (HOR) ve oksijen oluşum reaksiyonu (OOR) gerçekleştikten sonra sudan ayrılır. HOR ve OOR ile hidrojen üretimi için gereken enerjiyi azaltan katalizörler zaten vardı fakat hem üretimi maliyetli hem de tedariği zor olan elementlerden üretiliyordu. İki reaksiyonunda verimini artıran bir katalizör hem üretim maliyetini azaltır hem de hidrojenin ticari uygulanabilirliğini artırır. Geçiş metalinin alaşımı veya en az bir metal NiFeMo-PC içeren karışım geçiş metal atomları nikel ve demirdeki elektron orbitallerinin tam olarak doldurulmaması nedeniyle su elektrolizi için bir katalizör olarak kullanılmıştır. Böylece kimyasal reaksiyonlarda ideal elektron vericisi ve alıcısı haline gelmiştir. Elektron çözeltisindeki korozyon direncini artırmak için güçlü korozyon direncinden dolayı katalizöre fosfit (PC) eklenmiştir. NiFeMo-PC, HOR ve OOR’ye yönelik mükemmel iki işlevli elektrokatalitik performanslar sergilemektedir.
İki işlevli katalizör üretmenin zorluklarından biri OOR süreçleridir. Tang “OOR, yavaş kinetiğe sahip dört elektronlu bir transfer reaksiyonu olduğundan, alkalin çözeltide genellikle daha iyi performans gösterir. Alkali elektrolitte mükemmel iki işlevli performansa sahip, soy metal olmayan Ni, Fe, Mo, P, C içeren elektro katalizörleri X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) gibi tekniklerle araştırmak kritik önem taşıyordu.” dedi2.
Genelde, yeni geliştirilen katalizör sayesinde HOR (10 mA/cm2 akım yoğunluğu elde etmek için 87 mV) ve OOR (10 mA/cm2 akım yoğunluğu elde etmek için 196 mV) ile suyu ayrıştırmak için daha az enerji veya düşük potansiyellere gereksinim duyulur. Bu katalizör yardımıyla su elektrolizi için gereken enerji miktarı 10 mA/cm2 de sadece 1,50 V’dir1.
Ekip keşfettikleri katalizörün temiz ve verimli hidrojen üretimi hayalini gerçeğe dönüştüreceğine inanıyorlar. Tang “Çoğu iki işlevli katalizörün aksine bu katalizör karmaşık adımlara ve maliyetli malzemelere gerek duymadan mükemmel katalitik performans elde edilebilir. Ayrıca 50 saat boyunca herhangi bir enerji düşmesi yaşamadan mükemmel performansını devam ettirebiliyor. Bu özellikleri ile hidrojen üretimi için bu katalizör en ideal aday haline geliyor.” dedi.
Kaynaklar
- Zhou, X., Yang, T., Li, T., Zi, Y., Zhang, S., Yang, L., … & Tang, J. (2023). In-situ fabrication of carbon compound NiFeMo-P anchored on nickel foam as bi-functional catalyst for boosting overall water splitting. Nano Research Energy, 2(4), e9120086.
- https://phys.org/news/2023-09-catalyst-decreases-energy-required-hydrogen.html