Sürdürülebilir hidrojen üretiminde kabarcık oluşumunun rolü

Hidrojen enerjisi fosil yakıt kullanımının yerini alabilecek en önemli kaynaklardan biridir. Hidrojen enerji sektöründe ihmal edilebilir düzeyde olmakla birlikte, hidrojen yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilmesi halinde diğer yakıtlara göre karbondioksit emisyonu çok daha azdır. Hidrojen üretiminin en kolay yöntemi suyun içinde bulunan hidrojeni elektroliz yardımıyla elde etmektir¹.

Sürdürülebilir hidrojen üretimi, özel bir tuz eklenmesiyle potansiyel olarak daha verimli hale getirilebilir. Leiden Kimya Enstitüsündeki (LIC) araştırmacılar ve Twente Üniversitesindeki fizikçilerle işbirliği yaparak; elektroliz yoluyla hidrojen üretiminde kullanılan mevcut tuz türünün hidrojen kabarcıklarının oluşumunu etkilediği görülmüştür. Bunun yanında kabarcıkların hidrojen üretim verimliliğinde de bir artışa sebep olduğunu keşfettiler².

Hidrojen yeryüzünde en çok bulunan ve enerji yoğunluğu en yüksek olan elementtir. Ancak hidrojeni doğada saf halde bulmak imkansızdır. Su başta olmak üzere birçok organik bileşenin yapısında olmasına rağmen ayrıştırılıp saf hale getirmek oldukça maliyetlidir. Hidrojen CO₂ içermeyen bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen üretmenin en sürdürülebilir yolu suyun elektrolizidir.

Elektroliz nedir?

Elektroliz, kendiliğinden olmayan bir kimyasal reaksiyonu başlatmak için elektrik akımı kullanan kimyasal bir işlemdir. Elektrolizde su (H₂O), elektrokimyasal reaksiyon yoluyla hidrojen (H₂) ve oksijen (O₂) gazına dönüştürülür. Bunu yapmak için, içinde tuzun çözündüğü suya iki elektrot yerleştirilir ve tuz elektriksel iletkenlik sağlar. Elektrotlara elektrik akımı uyguladığınızda, bir elektrotta hidrojen gazı kabarcıkları, diğerinde ise oksijen kabarcıkları oluşur.

Küçük baloncuklar elde etmemizin nedeni?

Koper ve meslektaşları hidrojen kabarcıklarının nasıl oluştuğunu ve elektrottan nasıl ayrıldığını araştırdılar. Araştırmaları Nature Chemistry dergisinde yayınlandı. Koper, “Mümkün olduğunca kısa bir süre için elektrot yüzeyine yapışan küçük kabarcıkların oluşmasını istiyorsunuz. Bunun nedeni, kabarcıkların yalıtkan görevi görmesi, elektroliz hücresini daha az iletken hale getirmesi ve daha az verimli hidrojen üretimine neden olmasıdır.”

Tabaka küçük kabarcıklardan oluşuyor

Araştırma için bilim insanları, üzerinde tam olarak bir baloncuğun oluşabileceği yaklaşık 0,1 milimetre boyutunda bir elektrot kullanmışlar. Araştırmacı Sunghak Park, “Bu elektrot, tek bir baloncuğun farklı tuz türleri ile davranışını incelememize olanak sağladı.” dedi.

Twente araştırma grubu gelişmiş kameraları kullanarak kabarcıkların davranışını dikkatle kaydetmişlerdir. Ayrı bir baloncuk yerine, daha küçük baloncuklardan oluştuğunu gözlemlemişlerdir. Ayrıca daha büyük baloncuğun, üstte küçük baloncuklar tarafından beslendiği ortaya çıkmıştır. Ancak dikkat çekilen önemli kısım bir tek burası değildi. Küçük kabarcıkların büyük olanı nasıl beslediği ve büyük kabarcığın elektrot yüzeyinden ne zaman ayrıldığının büyük ölçüde kullanılan tuza bağlı olduğu ortaya çıktı. Koper “Bu daha önce gözlemlenmemişti” diyor.

Tuz iki farklı yüklü parçacıktan (iyon) oluşur:

• Pozitif yüklü katyonlar
• Negatif yüklü anyonlar

Anyonun kabarcık oluşumuna etkisinin daha fazla olduğu keşfedilmiştir. Sülfat anyonuyla küçük kabarcıklar kolayca büyük bir kabarcık oluştururken, perklorat anyonuyla çok daha küçük kabarcıklar oluştu ve bunlar hızla serbest kaldı.

Farklı kimyalara sahip iki sıvı bileşenin yüzeyleri arasında yüzey gerilimi gradyanından kaynaklanan kütle transferine “Marangoni etkisi” denir. Marangoni etkisi, konsantrasyon veya yoğunluk farkı nedeniyle bir sıvı akışı oluşturur. Elektrolizde, hidrojen üretimi elektrottaki anyon konsantrasyonunda bir farklılığa neden olarak orada benzer bir sıvı akışı oluşturur. Bu akışın yönü anyonun türüne bağlıdır.

Sülfat için akış yönü kabarcıklardan elektrota doğrudur. Sonuç olarak, büyük kabarcık büyür ve daha uzun süre yerine yapışır. Perklorat ile akış yönü, kabarcıkları elektrottan uzaklaştırarak daha büyük bir kabarcık oluşturmalarına engel olurlar. Bu, yüzeyden küçük kabarcıkların daha hızlı salınmasına neden olur. Araştırmacılar bunun, Marangoni etkisinden kaynaklandığını bulmuştur³.

Koper, “Bu mekanizmanın kabarcık oluşumunda rol oynadığı bilinmiyordu. Bu ilginç çünkü doğru tuzları ekleyerek kabarcık davranışını kontrol edebileceğimiz anlamına geliyor.” Gelecekteki araştırmalar bunun ticari elektrolizi daha verimli hale getirip getiremeyeceğini göstermek zorunda kalacak.

Dücane ÖZDEMİR

Kaynaklar

1. Dash, S. K., Chakraborty, S., & Elangovan, D. (2023). A brief review of hydrogen production methods and their challenges. Energies, 16(3), 1141.
2. https://phys.org/news/2023-08-role-formation-sustainable-hydrogen-production.html
3. Park, S., Liu, L., Demirkır, Ç., van der Heijden, O., Lohse, D., Krug, D., & Koper, M. T. (2023). Solutal Marangoni effect determines bubble dynamics during electrocatalytic hydrogen evolution. Nature chemistry, 1-9.