Hidrojen, yüksek enerji yoğunluğu ve sıfır karbon emisyonu gibi özellikleri sayesinde gelecek vaat eden bir enerji kaynağı olarak öne çıkmakta ve karbon nötrlüğüne ulaşma süresinde önemli bir rol oynamaktadır.1
Hidrojen dört farklı elektroliz yöntemi ile üretilebilir.
- Alkali su elektrolizi
- Anyon değişim membran (AEM) lı elektroliz
- Proton değişim membran (PEM) lı elektroliz
- Katı oksit su elektrolizi
şeklindedir.2
Geleneksel hidrojen üretim yöntemleri; örneğin kömür gazlaştırma ve buharla metan reformasyonu, karbon dioksit emisyonuna yol açarak çevresel sürdürülebilirlik hedeflerini olumsuz etkilemektedir. Öte yandan, yalnızca hidrojen ve oksijen elde edildiği elektrokimyasal su ayrıştırma süreci, daha çevreci bir alternatif sunmaktadır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan proton değişim membranı (PEM) ve alkali su elektrolizleri (AWE) ise maliyetleri ve verimlilik açısından sınırlamalara sahiptir. Örneğin, PEM elektrolizörlerinde katalizör olarak yüksek maliyetli platin grubu metaller (PGM) kullanılırken, AWE’ler ise çoğunlukla daha düşük akım yoğunluklarında ve verimlilik seviyelerinde çalışmaktadır.
Anyon değişim membranlı su elektrolizörleri (AEMWE’ler) hem PEM hem de AWE sistemlerinin avantajlarını birleştirerek düşük maliyetli ve platin grubu metal (PGM) içermeyen katalizörlerin kullanımına olanak tanırken aynı zamanda yüksek akım yoğunlukları ve enerji dönüşüm verimliliği sunmaktadır. Bununla birlikte AEM’ler özellikle alkali ortamda bozunmaya eğilimli olup bu durum uzun vadede stabilite açısından kritik bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bu nedenle kimyasal dayanıklılığı, iyon iletkenliği ve mekanik dayanımını artırmaya yönelik AEM malzemelerdeki yenilikler söz konusu teknik zorlukların giderilmesinde büyük önem taşımaktadır. Bu teknik sorunlara çözüm getirmek amacıyla Japonya’daki Waseda Üniversitesinden Profesör Kenji Miyatake ve Yamanashi Üniversitesindeki araştırmacılar, hidrofobik bileşenler içeren yeni bir anyon değişim membranı (AEM) geliştirmiştir. AEM su elektrolizlerinde (AEMWE’LER) yüksek performans sağlayabilmek için kritik bir özellik olan hidroksit iyonu iletkenliği, zorlu alkali koşullara dayanıklılık gösterecek şekilde tasarlanmıştır.
Miyatake, ‘’Bu çalışmada geliştirilen polimer bazlı membran, su elektrolizinde yeşil hidrojen üretimi için gerekli olan dayanıklı ve verimli malzemelerin temel gereksinimlerini karşılamaktadır.’’ şeklinde açıklamada bulunmuştur. Söz konusu çalışma Advanced Energy Materials dergisinde yayımlanmıştır. Bu yenilikçi membran 3,3’’ -dikloro-2’,5’bis(triflorometil)-1,1’:4’1’’-terfenil(TFP) monomerlerinin eklenmesi stabiliteyi artıran önemli bir unsur olarak öne çıkmaktadır. Bu bileşen sayesinde membran, 80 derecede yüksek konsantrasyondaki potasyum hidroksite 810 saatten daha uzun süre dayanım gösterebilmekte olup bu durum endüstriyel uygulamalarda kullanım açısından yüksek dayanıklılığını ortaya koymaktadır.
Membran, su elektrolizörü testlerinde istikrarlı bir performans sergileyerek 1,0 A·cm⁻² lik sabit akım yoğunluğunu 1.000 saatten uzun süre boyunca minimum voltaj değişimi ile sürdürebilmiştir. Miyatake, ‘’Elde edilen bu dayanıklılık, membranımızın hidrojen üretim maliyetlerini azaltma konusunda potansiyel bir katkı sağlayabileceğine dair umut verici bir göstergedir.’’ ifadelerini kullanmıştır.
Ayrıca membranın hidroksit iletkenliği seksen derecede 168,7 mS·cm⁻¹ seviyesine ulaşarak önceki araştırmalarda rapor edilen değerleri aşmıştır. Bu yüksek iletkenlik, hidrojen üretiminde gerekli olan yüksek akım yoğunluklarının elde edilmesi açısından kritik bir unsur olarak öne çıkmaktadır. Dayanıklılığı bu yüksek iletkenlikle birleştiren araştırma ekibi, geliştirdikleri malzeme tasarımının ölçeklenebilir ve maliyet açısından verimli hidrojen üretimi için önemli bir ilerleme sağladığını düşünmektedir.
27,4 MPa çekme mukavemeti ve %125,6 uzama kapasitesine sahip olan membranlar, uzun süreli kullanımda kararlı performans sağlayan güçlü bir dayanıklılık sunmaktadır. Bu AEM’lerin dayanıklılığı ve verimliliği sürdürülebilir hidrojen üretiminde önemli bir bileşen haline gelirken aynı zamanda karbon nötr enerji projelerini de desteklemektedir. Elde edilen bu sonuçlar, yeşil hidrojen uygulamaları açısından umut verici bir potansiyel taşımaktadır.
Bu çalışma, hidrofobik bileşenlere sahip polifenilen bazlı AEM’lerin stabiliteyi önemli ölçüde artırarak üstün alkali stabilite ve yüksek hidroksit iyonu iletkenliği sunduğu ve zorlu ortamlarda dahi bozunmayı en aza indirdiğini başarılı bir şekilde ortaya koymaktadır. Membran, yüksek akım yoğunluklarında uzun süreli çalışmalarda kararlı bir performans sergileyerek, AEM su elektrolizörlerinde yeşil hidrojen üretimi için verimli ve maliyet açısından etkin bir seçenek olarak dikkat çekmektedir.
Zeynep Esra Semerci
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2024-11-anion-exchange-membranes-electrolysis-green.html
- https://yeserenerji.com/yesil-hidrojen-uretiminde-elektroliz-yontemleri/
- Liu, F., Miyatake, K., Mahmoud, A. M. A., Yadav, V., Xian, F., Guo, L., … & Uchida, M. (2024). Polyphenylene‐Based Anion Exchange Membranes with Robust Hydrophobic Components Designed for High‐Performance and Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers Using Non‐PGM Anode Catalysts. Advanced Energy Materials, 2404089.