Değerli metallerden olan platin (Pt), geleceğin teknolojisi olan yakıt hücrelerinin çalışması için vazgeçilmez bir katalizör çeşidi olarak kullanılmaktadır1. Pt’nin yüksek maliyetli olması yakıt hücrelerinin kullanım sürelerini geciktirmektedir. Maliyeti düşürmek adına yapılan araştırmalar sonucunda nano ölçekte platin-kobalt (Pt-Co) alaşımı tasarlayan araştırmacılar, elde ettikleri veriler ışığında yakıt hücresi için gerekli Pt miktarının oldukça düştüğünü tespit etmişlerdir.
Ağır yük taşımacılığında maliyetlerin düşürülmesi adına pil teknolojisi kullanılarak elektrikli taşıtlara geçiş için hidrojen yakıtının kullanılması kaçınılmazdır. Halihazırda daha sıklıkla kullanılan alkali yakıt hücreleri hantal bir yapıya sahiptir, bundan dolayı proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC) daha kompakt* bir hücre yapısı içerdiğinden daha çok tercih edilmektedir. Ne yazık ki, PEMFC’lerde (oksijen indirgeme reaksiyonu – ORR) yer alan temel bir reaksiyonda kullanılan ana katalizör, nadir bulunan ve bu nedenle de pahalı olan metal Pt’dir. Pt’nin yüksek maliyeti, halihazırda PEMFC’nin daha geniş çapta benimsenmesinin önündeki en büyük engellerden biridir. ABD Enerji Bakanlığı‘nın verilerine göre, Pt grubu metal katalizörler şu anda yakıt pillerindeki maliyetin %40’ından fazlasını oluşturuyor.
Prof. Zhoghua Xiang: “Pt’nin nadirliği ve yüksek maliyetinden kaynaklı olarak yakıt hücrelerinin kullanımı sınırlandığı bilinmektedir. Tercih edilebilirlik oranı yükseldikçe söz konusu metalin nadirliği ve maliyeti oldukça artacağından bu soruna çözüm bulunamayacaktır.” dedi2. Bundan dolayı yakıt hücresi teknolojisinin daha geniş çapta tercih edilmesi için;
- Pt’yi başka bir katalizör malzemesi ile değiştirme,
- Performanstan ödün vermeden ihtiyaç duyulan Pt miktarını azaltmayı gerektirmektedir.
Araştırmacıların büyük çoğunluğu ikinci yol üzerinde durmuştur. Özellikle aynı sonucu elde etmek için gerekli Pt miktarını azaltarak Pt-Co alaşımlarını geliştirmeye odaklanmışlardır. Katalitik aktivite ve temel adsorpsiyon enerjileri arasındaki kuvvetli ilişkiye dayanarak geliştirilen Pt-Co alaşımları, Pt/C (platin/karbon) alaşımlarına göre karşılaştırıldığında daha yüksek aktif yüzey alanına sahip olması sebebiyle PEMFC’lerde ORR katalizörü alanında kullanılmak üzere geniş çapta incelenmiştir. Pt-Co alaşımlarının geliştirilmesinde ilk olarak hafif bir dimetilamin boran (DMAB) kullanılarak iyi derecede Pt/Co/C öncü katalizörü sentezlenmiştir. Sonraki aşama olarak yüksek kalitede sıralı bir Pt3CO sıralı alaşımlı, intermetalik** bir katalizör elde etmek için ikincil bir indirgeme stratejisi olarak H2/Ar gazı altında yüksek sıcaklıkta kalsine*** edildi. Pt-Co alaşımı ve güçlü metal taşıyıcı etkileşiminden dolayı elektronik yapının optimizasyonu, hücre zarı elektrodunun yüksek kinetik aktivitesini sağlar. Bununla birlikte yüksek derecede grafitleşme, reaksiyon sırasında elektriksel iletkenliği artırır. Sonuç olarak katalizörün aktivite ve kararlılığı, 10.000 döngüden sonra 20 mV kadar azalan, 0,87 V kadar yüksek dalgalanma potansiyeli ile önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Tek hücreli testler 0,67 A mgPt-1 kütle aktivitesine sahiptir3.
* Sıkı ve yoğun.
** İki ana bileşen (saf metaller) arasındaki ara bileşimde oluşan bir faz.
*** Yakarak toz haline getirmek veya gelmek, kirecimsi bir hale gelmek. Sıvı radyoaktif artıkların, zararsız halde saklanması amacıyla 800 °C gibi yüksek sıcaklıkta granül toz haline getirilmesi.
Okan Şener
Kaynaklar
- Rabis, A., Rodriguez, P., & Schmidt, T. J. (2012). Electrocatalysis for polymer electrolyte fuel cells: Recent achievements and future challenges. ACS Catalysis, 2(5), 864–890. https://doi.org/10.1021/cs3000864
- https://techxplore.com/news/2022-12-nano-scale-platinum-cobalt-alloy-particles-slash.html
- Yang, B., Yu, X., Hou, J., & Xiang, Z. (2022). Particuology Secondary reduction strategy synthesis of Pt e Co nanoparticle catalysts towards enhanced the activity of proton exchange membrane fuel cells. Particuology, https://doi.org/10.1016/j.partic.2022.11.010