Temiz bir enerji kaynağı olarak sudan hidrojen üretimi için umut verici fotokatalitik malzemeleri belirlemek için yüksek verimli teorik yöntemlerin kullanımı gittikçe artmaktadır. Umut vaat eden su ayrıştırma yöntemlerinin çoğunda yardımcı katalizör yüklemesi ve elektriksel öngerilim gerektirse de, bunları önceden tahmin etmek için hesaplama maliyetleri artış gösterir. Bu nedenle, daha fazla yardımcı katalizör yükleme ve öngerilim ile yüksek verimli hale gelebileceğinden, genellikle saatte onlarca nanomol (nmol) aralığında küçük hidrojen üretim oranlarına sahip yarı iletken fotokatalistleri belirlemek önemlidir. Bu çalışmada yeni fotokatalizörleri taramaya uygun, hassas bir hidrojen algılama sistemi açıklanmıştır. Prototopik TiO2 (rutil) ağırlıkça %0,3 oranında yüklenmiştir. Pt oranının yaklaşık olarak 78 ± 0,8 µmol/saat/0,04 g olduğu tespit edilmiştir. Buna karşın elektriksel sapma olmadan yalın polikristal TiO2 için 11,4 ± 0,3 nmol/saat/0,04 g’lık çok düşük bir yayılım hızına duyarlılık göstermiştir. İki aday fotokatalizör olan ZnFe2O4 (18,1 ± 0,2 nmol/saat/0,04 g) ile Ca2PbO4 (35,6 ± 0,5 nmol/saat/0,04 g)’ün elektriksel sapma veya yardımcı katalizör yüklemesi olmadan potansiyel olarak üstün olduğu ispatlanmıştır. Bu çalışmada fotokatalitik süreçlerin hassas tespiti için mevcut teknikleri, yeni aday fotokatalitik malzemelerin yalın hallerinde daha hızlı taranmasına doğru geliştirebilir1.
Penn State’de görev alan Profesör Venkatraman Gopalan: “Dünyadaki en hassas olan hidrojen gelişimini tespit etmek için yeni bir sistem kurduk. Bu, ele alınmamış ancak malzeme keşfi için ileriye dönük önemli olan bir sorunu ele almaktadır.” dedi2.
Bilim insanları ilgili cihazı, su moleküllerini hidrojen ve oksijene ayrıştıran reaksiyonları kolaylaştıran umut verici fotokatalistleri taramak için kullanabileceklerini belirttiler. Su ayrıştırma adı verilen süreç, temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı sunmasına karşın verimsizdir ve hidrojen üretimi için doğru fotokatalistleri bulmakta sorun oluşturmuştur.
Huaiyu “Hugo” Wang: “Hem hidrojen yayılım hızı hem de ihtiyaç duyulan fotokatalizörün kütlesi kategorilerinde düşük sıralarda yer aldıysanız, bunun yeni fotokatalitik malzemeleri keşfetmek için gerçekten hassas bir sistem olduğu anlamına gelir.” dedi.
Penn State’de Doçent Ismaila Dabo liderliğindeki ekip, son zamanlarda güçlü bilgisayarlar kullanarak 70.000’den fazla farklı bileşik adlarını altı umut verici adaya kadar indirgemiştir. Profesör Raymond Schaak liderliğindeki başka bir ekip ise malzemeleri laboratuvarında sentezlemiştir ancak küçük miktarları oluşturmak bile zaman alıcı ve yüksek maliyetlidir.
Julian Fanghanel: “Tipik fotokatalistler, platin gibi son derece pahalı olan nadir ve değerli metaller kullanır. Bu proje için düzinelerce malzeme numunesi yaptığımızdan dolayı bunları büyük miktarlarda yapmak pratik değil, zaman alıcı ve maliyetlidir.” dedi.
Gopalan, yeni sistemin bilim insanlarının bu malzemelerin daha küçük miktarlarını test etmesine ve çabaları en umut verici adaylara odaklamasına izin vereceğini söyledi. Örnekleri test ederken araştırmacılar, var olan ekipmanların yeterince hassas olmadığını gördüler. Bu yüzden Gopalan ve Wang kendi ekipmanlarını yaptılar.
Dabo: “Hesaplama tahminlerimizin doğrulanmasında aracı olan, hidrojenin tekrarlanabilir tespiti için benzersiz bir hassas gaz kromatografisi kurulumunu sıfırdan geliştirdiler. Yapılan bu kurulum, hidrojenin güneş enerjisi üretimi için yeni fotokatalistlerin keşfini doğrulamak için önemli bir olanak sağladı.” dedi.
Bilim insanları yeni tasarımın fotokatalistleri yalın hallerinde test edebileceğini belirtti. Fotokatalizörlerin etkili olabilmesi için yardımcı katalizörlere ve verimliliklerini daha da artıran diğer tekniklere ihtiyacı vardır. Örneğin altın standart katalizör, yardımcı katalizör olarak eklenen Pt partiküllü TiO2’dir. Bu eklentilere sahip olmayan fotokatalistler yalın olarak kabul edilir. Çalışmanın bir parçası olarak test edilen fotokatalist malzemelerinden ikisinin yalın halde TiO2’den daha iyi performans gösterdiğini söyledi. Bulgular, bu materyallerin daha fazla araştırılmasının umut verici fotokatalistler üretebileceğini düşündürmektedir.
Wang: “Titanyum dioksitten çok daha iyi davranan yalın bir bileşiğiniz varsa, bunun optimize edilebilecek potansiyel bir malzeme olduğunu biliyoruz. Bu malzemeler için doğru yardımcı katalizörleri bulursak, bunları siparişlere veya büyüklüklere göre iyileştirebiliriz ve bu malzemeler suyu ayrıştırmada faydalı olabilir.” dedi.
Okan Şener
Kaynaklar
1. Wang, H., Katz, R., Fanghanel, J., Schaak, R. E., & Gopalan, V. (2022). Ultrasensitive electrode-free and co-catalyst-free detection of nanomoles per hour hydrogen evolution for the discovery of new photocatalysts. Review of Scientific Instruments, 93(2), 025002. https://doi.org/10.1063/5.0077650
2. https://phys.org/news/2022-03-screening-renewable-hydrogen-power.html
3. https://aubibam.anadolu.edu.tr/tr/sayfa/gc-ve-gc-ms-analiz-laboratuvarı