Yakıt hücrelerinde kuantum sınırlandırılmış nikel bazlı nanokatalizör

Yakıt hücreleri, elektrik üretimini yanma sürecinden bağımsız olarak elektrokimyasal reaksiyonlar aracılığıyla gerçekleştiren ve böylece çevre kirliliğine neden olmayan enerji dönüşüm çözümleridir. Bu teknolojiler, elektrikli araçlardan taşınabilir bataryalara ve endüstriyel makinelerden çeşitli uygulamalara kadar geniş bir yelpazede enerji sağlayabilir.¹

Avantajlarına rağmen, mevcut yakıt hücreleri genellikle pahalı malzemeler ve değerli metal katalizörlere dayanır, bu da geniş çapta benimsemelerini kısıtlar. Anyon değişim membranlı yakıt hücreleri (AEMFC), düşük maliyetli ve bol bulunan katalizörler kullanarak bu sorunu çözebilir ve daha uygun fiyatlı olabilirler. Son yıllarda birçok araştırma grubu yeni AEMFC tasarımlarını test etmektedir. Ancak, bazı değerli olmayan metal katalizörlerin oksidasyona eğilimli olduğu ve bu durumun hücrelerin bozulmasına neden olduğu tespit edilmiştir.³

Anyon değişim membranlı yakıt hücreleri (AEMFC’ler), alkali elektrolitlerde ekonomik katalizörlerin kullanılabilmesi sayesinde hidrojen enerjisi alanında büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak, alkali elektrolitlerde anodik hidrojen oksidasyon reaksiyonunun (HOR) kinetik özellikleri, en gelişmiş platin katalizörleri ile bile asidik sistemlerden iki kat daha zayıf kalmaktadır.⁴

Chongqing ve Loughborough Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, AEMFC’lerde metalik nikel elektro katalizörlerinin oksidasyonunu önleyen yenilikçi bir yöntem geliştirdi. Nature Energy’de yayınlanan çalışmada, bu yöntemin kuantum sınırlandırılmış metalik nikel nanopartikülleri içeren özel bir kuantum kuyusu benzeri katalitik yapı (QWCS) kullanmayı içerdiği açıklanıyor. Değerli olmayan metallerin kendiliğinden oksidasyonu, kalıcı arızalara neden olabiliyor.¹ “Biz nikel nanopartiküllerini karbon katkılı heterojonksiyonunda (iki farklı yarı iletken katman arasındaki arayüz) atomik olarak hapsedip, hidrojen oksidasyonundan gelen elektronları seçici bir şekilde transfer edebilen ve metalik özellikleri koruyan bir QWCS geliştirdik.” Geliştirilen katalizöre Ni@C-MoOx adını verdiler.

QWCS, elektron tabanlı olarak tasarlanmış beş katmanlı basitleştirilmiş bir yapı olarak tanımlanır. Bu yapının nanokatalizörü, hidrotermal reaksiyon ve H₂ indirgeme yöntemiyle üretilmiştir. Sodyum bakır klorofilin, molibden atomları ile güçlü koordinasyon etkisi nedeniyle nikel nanopartiküllerinin çevresinde kuantum kuyuları oluşturmak için karbon katkı maddesi olarak kullanılmıştır.²

QWCS ile Ni@C-MoOx katalizörünün hidrojen oksijen reaksiyonu (HOR) performansı, üç elektrotlu hücre kullanılarak test edilmiştir. Bu testin sonunda Ni@C-MoOx elektrodu, karbon katkısı bulunmayan geleneksel NiMoOx ve ticari Pt/C (Pt/C com) elektrotlarıyla benzer HOR aktivitesi göstermiştir. Ni@C-MoOx’in içsel performansı, Pt/C com ile uyumludur. Buna karşın, geleneksel NiMoOx, 0,1 V RHE (Referans Hidrojen Elektrodu) de pasifleşmiş ve akım yoğunluğunda ani bir düşüş yaşanmıştır.

Farklı üretim koşullarında hazırlanan katalizörler arasındaki karşılaştırmalar, Mo’nun aktif bölgelerin oluşumunda kritik olduğunu ve karbon katkısının elektro oksidasyon direncini arttırmada önemli rol oynadığını göstermiştir. Ni@C-MoOx elektrodu, 0,4 ila 1,2 V RHE aralığında yüksek potansiyellere rağmen H2 ile doymuş 0,1 M KOH’ de etkili HOR analizi sağladı.

Ni öz oksidasyonunun etkilerini ortadan kaldırmak için yapılan kronoamperometri testlerinde, Ni@C-MoOx elektrodu tüm potansiyel aralığında 1,5 mA/cm² sabit anodik akım sağlarken, NiMoOx yalnızca 0,1 V RHE’de sabit akım sağladı ve diğer potansiyellerde akımda belirgin bir düşüş gözlemlendi.

Özetle, kuantumla sınırlandırılmış metalik nikel nanoparçacıkları, alkali ortamlarda yüksek anti-elektro oksidasyon özellikleri ve mükemmel HOR dayanıklılığı ve reaktivitesi gösterdi. Bu nanoparçacıklar, 1,2 V RHE’ye kadar yüksek anodik potansiyellerde bile oldukça kararlıdır. Ni ve Mo arasındaki arayüzde oluşturulan dipol etkisi, elektronları Ni’nin elektro oksidasyonuna karşı korur ve HOR katalizini artırmak için adsorbe olan hidrojen atomları ile bu etki ortadan kalkar. Sonuç olarak Ni@C-MoOx nanokatalizörü, 0,3 V RHE’de 100 saat süren deneyde ve 0,7 V RHE’de 10 saatlik hızlandırılmış deneyde kuvvetli HOR katalitik kararlılığı sergilemiştir. Yapılan çalışmalardan sonra, bu katalizörün döngülerde performans kaybı yaşatmadığı, ayrıca düşük maliyetli ve değerli olmayan metallerin nanopartiküllerinin anti-elektro oksidasyonunu geliştirmek için kuantum sınırlama etkisinin kullanabileceğini göstermiştir.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2024-09-catalyst-boosts-anion-exchange-membrane.html
2. Zhou, Y., Yuan, W., Li, M., Xie, Z., Song, X., Yang, Y., … & Wei, Z. (2024). Quantum confinement-induced anti-electrooxidation of metallic nickel electrocatalysts for hydrogen oxidation. Nature Energy, 1-13.
3. Firouzjaie, H.A., Mustain, W.E., (2019). Catalytic Advantages, Challenges, and Priorities in Alkaline Membrane Fuel Cells. ACS Catal., 10(1), 225-234.
4. An, L., Zhao, X., Zhao, T., & Wang, D. (2021). Atomic-level insight into reasonable design of metal-based catalysts for hydrogen oxidation in alkaline electrolytes. Energy & Environmental Science, 14(5), 2620-2638.