İyon değişim membranı Nafion’a alternatif arayışı

İyon değişim membranları; fotoelekrolizörler, yakıt hücreleri ve piller gibi aygıtlarda iyonları ayırmak ve istenilenleri mümkün kılabilmek için gerekli bir malzemedir. Yapay olarak üretilen Nafion (C₇HF₁₃O₅S.C₂F₄) gibi polimerik membranlar, yüksek verimli olmalarına rağmen ayrışamaz, biyolojik sistemlerde birikir ve doğada yok olmazlar. Avrupa Birliği bu tür sonsuz kimyasalların kullanımını kısıtlamak istemektedir ve buna yönelik bir tartışma sürdürmektedir. Bu yasağın nedeni ise Nafion’a uygun alternatif malzemelerin geliştirilmesindeki zorluktur. Bu yüzden, Nafion ve diğer yüksek verimli polimerik membranların nasıl çalıştığını anlamak alternatiflerin geliştirilmesi için çok önemli bir noktadır.

Dr. Marco Favaro öncülüğünde bir ekip, Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Güneş Yakıtları Enstitüsü’nde özel bir elektroliz hücresi ile çalışarak Nafion’a alternatif geliştirme üzerinde çalışmalar yaptı. Bu özel hücrede membran, dış duvar üzerine yerleştirildi ve bu sayede hem sıvı elektrolitle hem de gaz fazlı ortam ile temas halinde olması sağlandı. Ayrıca membranın uygulanan potansiyelin kutupluluğuna bağlı olarak katot veya anot olarak işlem görmesini de sağlandı. Bu sıvı-gaz hibrit elektrolizör, gaz fazında elde edilebilen daha yüksek CO₂ konsantrasyonları sayesinde CO₂‘nin elektrokimyasal dönüşümü için daha elverişlidir.

Şekil 1. Elektroliz hücre sistemi ve arayüzeyin AP-HAXPES incelenmesi¹.

Çalışma için Favaro ve ekibi, ticari olarak kullanılan ve halihazırda mevcut olan CEM olarak Nafion® 115 ve AEM olarak Fumasep® FAA-3-PK-75 iyon değişim membranlarını sodyum klorür (NaCl) gibi bir model elektrolit ile temas ettirerek su buharının gaz fazını beslemesi sağlandı. Bu işlem sırasında su buharı, suyun kısmi basıncı oda sıcaklığındaki buhar basıncına yakın olacak şekilde tutuldu ve gaz fazını besledi. Sodyum ve klor iyonlarının membran boyunca göçünü analiz etmek amacıyla sert X-ışını fotoelektron spektroskopisi (AP-HAXPES) kullanıldı. Bu çalışmada ticari olarak mevcut katyon ve anyon değişim membranları, sonlu eleman analizi ile yerinde ortam basıncı sert X-ışını fotoelektron spektroskopisini birleştirerek 20–30 nm’ye kadar arayüzey detaylı bir şekilde incelendi. Bulgular, membran boyunca iyon taşıma reaksiyonunun elektromigrasyon yerine membranda bulunan iyonize fonksiyonel gruplar aracılığıyla difüzyon kullanılarak gerçekleştirildiğini gösterdi. 

Çalışmada iyon dinamiklerinin uygulanan potansiyel altında elektrolizörün anodu ve katodu arasında oluşan elektrik alanlar tarafından belirlendiğini ve bu nedenle elektromigrasyonun ana itici güç olması beklenirken elde edilen verilen analiz edildiğinde elektromigrasyonun neredeyse hiç rol oynamadığı ve iyonların basit bir şekilde membran boyunca difüze olduğu görüldü. 

Veriler, difüzyon modeli ile mükemmel bir şekilde sonlu elemanlar analiz metodu sayısal olarak simüle edildi. Bu olayı Facaro “Sonuç olarak, iyonların bu tip elektrolizörlerde polimer zarlardan, zarlarda bulunan iyonize fonksiyonel grupların aracılık ettiği sıçrama nedeniyle hareket ettiğidir. Ek olarak, su polimer boyunca da yayıldığı için iyonlar da sürüklenir.” şeklinde açıkladı². 

Bu elde edilen sonuçlar birkaç nedenden ötürü heyecan verici bulunmuştur. Bu tür elektrolizörler, karbondioksitin yalnızca fosil yakıtlardan elde edilebilen değerli kimyasallara dönüştürülebileceği bir yöntem sunar. Çalışmadaki cihazların nasıl çalıştığının anlaşılması, ekonominin karbon emisyonlarını azaltma çabalarında yardımcı olur. Bununla birlikte, yakıt hücrelerinin önemli bir bileşeni olan iyon değişim membranları, Nafion gibi, ayrışmazlık özellikleri nedeniyle zorluklar yaratır ve Avrupa Birliği yakın gelecekte bu tür sonsuz kimyasalların kullanımını yasaklayabilir. Bu taşıma süreçleri ile ilgili mekanizmalarının anlaşılması, verimli, dayanıklı ve çevre dostu yeni membran malzemelerinin geliştirilmesine yardımcı olacaktır.

Kaynaklar

1. Ralaiarisoa, M., Krishnamurti, S. S., Gu, W., Ampelli, C., van de Krol, R., Abdi, F. F., & Favaro, M. (2023). In situ investigation of ion exchange membranes reveals that ion transfer in hybrid liquid/gas electrolyzers is mediated by diffusion, not electromigration. Journal of Materials Chemistry A, 11(25), 13570-13587.
2. https://phys.org/news/2023-07-ions-polymer-membranes.html