PEM yakıt hücreleri: Yarı metal

Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri, yakıtta depolanan enerjiyi doğrudan ve yüksek verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Çalışmaları sırasında yalnızca su yan ürün olarak üretilir. Bu özellikleriyle PEM yakıt hücreleri enerji tüketimini optimize etme, kirletici emisyonları azaltma ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma potansiyeline sahiptir.¹

Proton değişim membranlı yakıt hücreleri, diğer pil türleriyle kıyaslandığında, yüksek deşarj kapasitesi ve çevre dostu olması gibi üstünlükler sunar. Bu özellikler, yakıt hücrelerinin hidrojen enerjisi dönüşümünde ve kullanımında kilit bir rol üstlenmesini sağlar.

Platin bazlı ara metalik bileşikler, proton değişim membranlı yakıt hücreleri de dahil olmak üzere çeşitli enerji ve çevre teknolojilerinde etkin bir elektrokatalizör olarak görev yapar. Ancak, bu tür platin bazlı bileşiklerin sentezi, yüksek sıcaklıklarda (~600°C) gerçekleştirilen ve düzenli Pt–M metal bağlarının oluşumunu içeren süreçlere bağlıdır. Bu yüksek sıcaklıklar, katalizör yapısında istenmeyen etkiler doğurabilir. Örneğin boyut, şekil, bileşim ve yapısal dağılımda düzensizlikler görülebilir. Bu tür düzensizlikler ise katalizörün ve yakıt hücresinin performansını olumsuz yönde etkileyebilir.Bu sorunları çözmeyi amaçlayan araştırma ekibi, platin bazlı ara metalik bileşiklerin sentezine Ge, Sb ve Te gibi yarı metal atomlarını dahil etmiştir.

Yarı metal elementleri ile platin atomları (Pt–Ge, Pt–Sb, Pt–Te) arasında oluşan kimyasal bağlar, hem metalik hem de kovalent bağ özellikleri gösterir ve bu sayede platin bazlı ara metalik bileşiklerin sentez sıcaklığındaki sınırlarının aşılmasına olanak tanır. Bu kimyasal yapı, proton değişim membranlı yakıt hücrelerinde elektrokatalitik reaksiyonların verimliliğini artırmak için fayda sağlar.

Yarı metallerdeki p orbitallerinin kısmen dolu olması nedeniyle, platin ve yarı metal atomları arasında güçlü bir kovalent etkileşim bağı olan d-p π geri besleme bağı oluşur. Bu güçlü etkileşim, yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen ara metalik bileşik sentezinde düzenli yapıların oluşumunu destekleyerek, platin bazlı bileşiklerin sentez sürecinde sıcaklık farkını düşürür. Ayrıca, hem metalik hem de kovalent bağların özellikleri, yakıt hücrelerinde platin aktif merkezlerinde daha etkin elektron transferini ve orbital doluluğunu sağlayarak katalitik etkinliği ve toksisiteye dayanıklılığı artırır.

Yarı metal-platin ara metalik bileşiklerinin sentezi yalnızca 300°C’de gerçekleştirilebilir ve yakıt hücrelerinde CO toksisitesi altında yapılan elektrokimyasal testlerde son derece yüksek oksijen indirgeme etkinliği sergiler (0,9 V gerilimde kütle aktivitesi 0,794 A mg⁻¹, CO toksisitesi altında %5,1’lik bir azalma). Bu değer, ticari Pt/C katalizörlere göre 11 kat daha yüksektir.

Bu araştırma, yarı metallerin kullanımı yoluyla yakıt hücresi katalizör sentezi ve çalışma koşullarında bağ yapısı ve orbital optimizasyonuna yeni bir yaklaşım sunmakta ve yakıt hücreleri için ileri düzey elektrokatalizörlerin tasarımında önemli bir perspektif sağlamaktadır.²

Sonuç olarak yapılan bu çalışmalar ile araştırmacılar; yarı metal-Pt intermetal bileşiklerindeki kovalent etkileşimlerin, intermetal yapılarının rasyonel bir sentezi için uygun olduğunu ayrıca daha pratik ve ergonomik yakıt hücreleri için gelişmiş katalizörler üretilebilebileceğini öngörmektedir.³

Kaynaklar

1. Karanfil, G. (2020). Proton değişim membran yakıt hücreleri: Termodinamiği, bileşenleri ve uygulama Alanları. Mühendis ve Makina, 61(698), 57-76.
2. Cheng, H., Gui, R., Chen, C., Liu, S., Cao, X., Yin, Y., … & Wu, C. (2024). Semimetal-triggered covalent interaction in Pt-based intermetallics for fuel-cell electrocatalysis. National Science Review, 11(8).
3. https://phys.org/news/2024-09-semimetal-covalency-high-efficiency-electrocatalysis.htmlKaynaklar