Karbonsuz hidrojen enerjisi üretiminde metal oksitler

Teknolojinin ve sanayileşmenin getirdiği hızlı gelişim, karbon salınımını son derece tehlikeli bir seviyeye taşıdı. Bu durum küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi gezegenimizi tehdit eden unsurları en az düzeye taşıma zorunluluğunu net bir şekilde gösteriyor. Amonyak sentezi, çelik endüstrisi ve uluslararası bunkerler (havacılık ve denizcilik dahil) gibi önde gelen endüstriyel sektörlerin karbon ayak izlerini büyük oranda azaltma gerekliliği, diğer sektörlerden daha fazladır. Bu durumun getirisi olarak üzerlerinde güçlü bir baskı vardır. Bu sektörlerin karbon salınımı azaltma çabalarında temiz enerji taşıyıcısı olan hidrojen kritik rol oynamaktadır. Buna bağlı olarak CO₂ içermeyen hidrojen üretim yöntemlerinin geliştirilmesi büyük bir ivme kazanıyor. Fotokimyasal, elektrokimyasal ve termokimyasal yollar başlıca başvurulan yollardır. En dikkat çekeni ekonomik uygulanabilirliği yanı sıra kolay ölçeklendirilebilmesiyle termokimyasaldır.¹

POSTECH ve Seul Ulusal Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, termokimyasal yolla hidrojen üretimi konusunda yüksek oranlarda temiz hidrojen elde edilebilecek yeni bir oksit malzemenin keşfine imza attılar. Advanced Science dergisinde yayımlanan bu buluş, yeni geliştirilmiş ve oldukça etkili bir hesaplamalı tarama metodu sayesinde mümkün hale gelmesine yer veriyor. Tarama metodu, termodinamik veri tabanlarını hızlandırılmış simülasyonları olan CALculation of PHAse Diagrams (CALPHAD) ile birleştirerek, 1000’den fazla malzeme koşulun sadece 24 saatte analiz edebilir. CALPHAD teknolojisi hızının bu denli yüksek olması geleneksel yaklaşım metotlarından yaklaşık olarak 7000 kat daha hızlı olduğunu gösteriyor. Profesörler hidrojen üretim malzemelerinin keşif süresini kısaltan ve ticarileşmeyi hızlandıracak olan bu çalışmanın disiplinler arası işbirliğinin de bir sonucu olduğunu vurguluyor.

Termokimyasal teknolojiyi, metal oksitler (MO_x) aracılığıyla yürütülen geleneksel kimyasal bir ısı motoru döngüsü olarak kavramsallaştırabiliriz. Döngünün kimyasal karşılığı olarak termal enerjinin kimyasal enerjiye, kimyasal enerjinin de hidrojene dönüştüğünü söyleyebiliriz. İki aşamalı termokimyasal su parçalama çevrimine sahip kimyasal ısı motoru, T sıcaklığında hidrojen elde edebilmek için metal okside oksijeni dahil ederek su ayrıştırma reaksiyonu olarak tanımlanabilir.

En uygun yöntem bulunmasıyla en uygun oksit malzeme bulma zorunlu hale geldi. CO₂ olmadan hidrojen eldesi için termokimyasal yolla bulunan teknolojideki ana zorluk, verimi en yüksek metal oksitler keşfetmektir. Geleneksel yöntemlerde kullanılan seryum oksit (CeO₂) ve perovskit oksitler (PCO) yüksek sıcaklık veya yüksek enerji gereksinimi gibi dezavantajlara sahiptir. Araştırmacılar, (Mg–Mn–Co) ferrit (MMFC) adı verilen çok katyonlu ferrit sistemi, deneyler ve CALPHAD simülasyonları ile hidrojen üretimi konusunda diğer oksitlerden daha avantajlı olduğunu bulmuşlardır. Düşük sıcaklıklarda bile yüksek seviyelerde oksijen ürettiği ortaya konmuştur.

Profesör Jin, Dr. Lee, Profesör Jung ve Dr. Nam keşfettikleri oksit malzeme olan MMFC’yi kritik derecede yüksek oranda verimli bir hidrojen üreten oksiti (MgMnCo)_0,65 Fe_0,35 O_y olarak tanımladılar. MMFC’nin başarısı içerdiği demir (Fe) ve magnezyum (Mg) elementlerinin ikili aktivasyon göstererek verimliliği artırmasıdır. Kritik ikili aktivasyona sahip yeni keşfedilen oksit, geleneksel bileşiklerle karşılaştırılması durumunda değerini daha da artırmıştır. MMFC, CeO₂ ve PCO gibi referanslara göre çok daha fazla hidrojen üretebilmesinin yanı sıra zirkonyum dioksit (ZrO₂) ile karşılaştırılması, döngülerde malzemenin kararlı ve yüksek derecede verimli kaldığını gözler önüne seriyor (Şekil 1, sol). Tüm bunlar MMFC’lerin hem endüstriyel ölçekte hem de pratikte üstün bir çözüm sunduğunu ortaya koyuyor (Şekil 1, sağ).

Bu keşfedilen sistemin gezegenimiz için tehlikeli boyutlara ulaşan karbon ayak izimizi azaltma konusunda oldukça yararlı. CALPHAD metodolojisini kullanarak, yüksek verimli bir tarama yaklaşımı ile termokimyasal yolla hidrojen üretiminin geleneksel yollardan daha hızlı olmasının olağan bir durum olduğunu kanıtlamış oldu. CALPHAD metodolojisi kullanılarak keşfedilen (MgMnCo)_1-x Fe_x O_y küresel anlamda diğer oksit malzemelere göre çok daha avantajlı olduğu ortaya konulmuştur. Bu buluş, daha yüksek performanslı malzemelerin keşfine kapı aralamak ile birlikte, kullanılan yüksek verimi tarama yöntemi sayesinde de termokimyasal yol kullanılırken daha sistematik bir yol izlemenin kolaylığını sunmuştur.^1,2

Kaynaklar

1. Kalaiselvan, N., & Mathimani, T. (2024). Solar-driven green hydrogen generation for revolutionizing the future of zero-carbon energy. Fuel, 375, 132538.
2. Lee, D., Nam, J., Park, B.-G., Kim, H., Jung, I.-H., & Jin, H. (2025). Discovery of Novel Ferrites for Thermochemical H2 Production Cycle via High-Throughput Thermodynamic Screening. Advanced Science, e01846.