Yakıt hücrelerinde platin katalizörlerde yenilikçi gerinim teknikleri

Proton iletimi, proton değişim membranlı yakıt hücre (PEMFC) lerinin temel işlevlerinden biridir ve bu hücrelerde kullanılan membranların değerlendirilmesinde dikkate alınan en önemli faktördür. Membranın temel görevi, yakıt hücresindeki protonların elektrotlar arasında iletimini sağlayarak elektrik akımı üretmektir. Membran, protonların geçişine izin verirken, aynı zamanda yakıt hücresinin iki tarafındaki gazların karışmasını engeller. 

PEMFC’nin yüksek performans gösterebilmesi için yüksek proton iletkenliğine, elektrokimyasal ve kimyasal stabiliteye, hidrolitik ve termal dayanıklılığa ve düşük maliyet gibi özelliklere sahip olması istenir. Yakıt hücresi performansındaki gelişmeler, doğrudan membran teknolojisindeki yeniliklerle bağlantılıdır ve bilim insanları bu konu hakkında pek çok araştırma yapmaktadır.¹  

PEMFC teknolojisinin gelişimi, verimli ve dayanıklı oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) elektrokatalizörlerinin geliştirilmesine bağlıdır. Platin (Pt) bazlı malzemeler geniş bir kullanım alanına sahip olmasına karşın, Pt’nin yüksek maliyeti ve sınırlı kaynakları, bilim insanlarını bu malzemelerin katalitik verimliliğini ve dayanıklılığını iyileştirmek için yeni stratejiler aramaya yönlendirmiştir. 

Bu stratejilerden biri de gerinim mühendisliği ile geliştirilen, katalizörlerin elektronik yapısını değiştirerek katalitik performanslarını iyileştirmeyi vaat eden bir yaklaşımdır. Bu yaklaşım araştırmacıları platin tabanlı ORR katalizörlerdeki gerinim mühendisliği uygulamalarını geliştirmeye teşvik etmiştir. Araştırma, Pt bazlı katalizörlerdeki bu mühendislik yöntemlerini, karşılaşılan zorlukları ve kullanılan tekniklerin gelecekteki potansiyel uygulamalarını ele almaktadır.²

Çalışmada dış stres uygulamaları veya çekirdek-kabuk yapıları, alaşımlar ve kusur açısından zengin malzemelerin sentezi aracılığıyla araştırmacılar, katalizörlerin atomik aralıklarını ve kafes yapısını değiştiren kontrollü gerinme uygulamasına odaklanmıştır. Bu süreç, metal iyonlarının elektron bulutu dağılımını ve etkileşimlerini etkileyerek, adsorpsiyon kapasitesi ve madde taşınma hızları ile doğrudan bağlantılı olan d-bant seviyesi pozisyonunun hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlamaktadır.

Aynı zamanda, ORR katalizörlerinde gerilme düzenlenmesine yönelik çalışmalar henüz başlangıç aşamasındadır ve gerilmenin tanımlanması ile kontrol edilmesi çeşitli zorluklar doğurmaktadır. Günümüzde mevcut olan sentetik yöntemler, gerilme boyutunu ve yönünü yalnızca genel olarak kontrol edebilmekte, bu da kesin düzenleme yapmayı oldukça zorlaştırmaktadır. Birçok durumda, katkı maddesi içeren malzemelerin ya da alaşımların örgü parametreleri sentez sırasında alt tabakayla tamamen uyumlu değildir. Ayrıca, kusurların varlığı gerilme oluşumunu ve düzenlenmesini zorlaştırmaktadır. Örgü yapısındaki kusurlar, dislokasyonlar ya da atomların düzensiz dağılımı, gerilmenin aktarımını ve dağılımını olumsuz etkileyerek düzensiz gerilimlere ve yönetilmesi zor durumlara yol açmaktadır. Dahası, bazı deneysel ve teorik çalışmalar gerilmenin katalitik performansı üzerindeki etkisine işaret etse de, bu ilişkiye dair ayrıntılı mekanizmalar henüz tam anlamıyla aydınlatılmamıştır. Pt bazlı katalizörlerin kristal yapıları, yüzey morfolojileri ve adsorpsiyon özelliklerini incelemek amacıyla teorik simülasyonlar kullanılmakta olup, bu simülasyonlar hassas hesaplama yöntemleri ve modelleri gerektirmektedir. 

Platin ve platin bazlı alaşımlar, ORR için olağanüstü katalitik özellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Örgü gerilmesi, metalin elektronik yapısını değiştirerek nanoparçacık yüzeyinde örgü parametrelerinin ve ligand çevresinin kontrol edilmesiyle adsorpsiyon kapasitesini, ara maddeleri ve elektron transfer yeteneğini etkileyerek katalitik performansı belirler. Örgü gerilmesinin optimize edilmesi, hem teorik hem de pratik uygulamalar açısından büyük önem taşımaktadır. ORR katalizörlerinde gerilme düzenlenmesi üzerine yapılan araştırmalarda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Çekirdek-kabuk sentezi, alaşım ve kusur oluşturma, şekil ve boyut ayarı, kaplama teknikleri, örgü yapısını ve gerilme durumunu değiştirmek için etkili yöntemler olarak tanımlanmıştır.³

Bu incelemenin bulguları, sürdürülebilir enerji sistemlerinin geleceği için önemli sonuçlar doğurmaktadır. Araştırma, Pt bazlı elektrokatalizörlerin geliştirilmesi için yol gösterici bir rehber sunarken, PEMFC maliyetlerinin düşürülmesine de katkıda bulunmaktadır. Ayrıca, gerinim mühendisliği ile elde edilen bulgular, diğer katalitik sistemlerde de uygulanabilir ve bu alanda geniş kapsamlı bir etki yaratma potansiyeline sahiptir.

Kaynaklar 

1. Karanfil, G. (2020). Proton Değişim Membran Yakıt Hücreleri: Termodinamiği, Bileşenleri ve Uygulama Alanları. Mühendis ve Makina, 61(698), 57-76. 
2. https://phys.org/news/2024-09-strain-pt-based-electrocatalysts-oxygen.html 
3. Wang, Z., Liu, Y., Chen, S., Zheng, Y., Fu, X., Zhang, Y., & Wang, W. (2024). Strain engineering of Pt-based electrocatalysts for oxygen reaction reduction. Frontiers in Energy, 18(2), 241-262