Yeşil hidrojen üretiminde fotoelektrot malzeme ile verim artırma

Yeşil hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen çevre dostu hidrojendir. Sürdürülebilir hidrojen olarak da bilinmektedir. Yeşil hidrojenin sudan eldesi için fotoelektrokimyasal (PEC) ayrıştırma sistemlerinden faydalanılır¹.

Fotoelektrokimyasal su ayrıştırma sistemlerinin kullanılabilmesi için yüksek verimli, kararlı ve ölçülebilir fotoelektrot kullanımı gerekmektedir. Buna karşın aynı anda verimlilik, kararlılık ve ölçülebilirlik– biri elde edildiğinde diğerinden taviz verildiğinden dolayı- pek mümkün görünmemektedir. Günümüzde aşina olduğumuz fotoelektrokimyasal ayrıştırma sistemlerinin düşük verimlilikte ve yüksek kararsızlıkta faaliyet gösterebilmesinin en önemli sebebi budur. Bundan dolayı sürdürülebilir hidrojen eldesi zorlaşmaktadır. Fakat bu zorluk PEC sistemlerinde kaynak olarak güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımıyla ortadan kalkacak gibi görünmekte. Güneş enerjisi ise PEC sistemlerinde yer alan fotoanot ile aynı boyutta bir güneş pili kullanımında işimize yarayacaktır².

PEC sistemlerindeki mevcut verimsizliğin ve kararsızlığın başlıca sebeplerinden biri fotoelektrokimyasal hücrelerde fotoelektrot malzemeleri olarak diğer maddelerden daha yüksek içsel kararlılığa sahip metal oksitlerden yararlanılmasıdır. Metal oksitlerin kullanımı sonucunda PEC sistemlerinde verimliliğin istenilen oranın altına düştüğü gözlemlenmiştir. İstenilen orana ulaşmaya çalışan bazı araştırmacılar silikon, perovskitler, kalkojenitler ve III-V malzeme sınıfları gibi fotovoltaik (PV) sınıfı malzemelere dayalı fotoelektrotların potansiyelini araştırmaktadır. Bu malzemeler verimlilikleriyle bilinmesine karşın, özellikle suyun fotoelektrokimyasal sistemlerle ayrıştırılmasında kullanıldığında, pahalı ve kararsız olarak nitelendirilebiliyor. 

Verimli olarak nitelendirebileceğimiz PEC sistemlerinde güneşten hidrojene dönüşüm verimi en az %10 olmalıdır. Verimliliğin ilk ve belki de en önemli şartı  uygun malzeme seçimine dayanmaktadır. Bilinen PV sınıfı malzemelerden farklı olarak metal-halid perovskitler (MHP), aranan yüksek verime karşın düşük maliyetleriyle ve kusursuz optoelektronik özellikleriyle de fotoelektrot malzeme gereksinimini karşılayabilecek potansiyeldedir.

Ölçeklenebilir ve verimliliği yüksek PEC sistemlerinden sürdürülebilir hidrojen eldesi üzerinde araştırmalarını sürdüren Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (UNIST) araştırmacıları geçtiğimiz günlerde yeşil hidrojenin, sistemlerde Ni folyo/NiFeOOH elektrokatalizör ile kapsüllenmiş bir formamidinyum kurşun triiyodür (FAPbI₃) perovskit tabanlı fotoanot kullanımıyla daha verimli bir şekilde elde edilebileceği üzerine çalışmalar yürütüyorlar.

MHP malzemelerinin kullanımına dayalı fotoelektrot tasarlanırken malzemenin kararlılık deneylerinin yapılması önemli bir etken olduğunu bilen UNIST’te Kimya Mühendisliği Profesörü ve makalenin ortak yazarı olma görevini üstlenen Jae Sung Lee ve takım arkadaşları, laboratuvar ortamında hücre verimliliğini koruyarak ve metal kapsülleme ya da metal koruma teknikleri kullanarak farklı denemeler gerçekleştirdi. En son ulaştıkları sonuçta ise UV’ye dayanıklı FAPbI₃ perovskitini bir NiFeOOH katalizörü ile biriktirilmiş kalın bir nikel folyo ile kapsüllemenin başarıya ulaştıracağı gözlemlendi. Bu folyonun amacı MHP’yi sudan gelebilecek olası zararlara karşı korumak ve oksijen reaksiyonunu desteklemekti. Deneyde fotoanot farklı metal malzemelerle folyolanarak katalizör-elektrolit reaksiyonları derinlemesine incelendi. Sistemin basitleşmesi, ek PV malzemelerine ihtiyacın ortadan kalkması ve üretim maliyetinin azalması adına da fotoanot ve PV tek bir PEC hücresine bağlandı. İlk başta sistemin 4 x 4 dizisinde düzenlenmiş bir fotoelektrot ve bir PV birim hücresinden oluşan bir mini versiyonu oluşturuldu. Bu laboratuvar ölçeği olarak da adlandırabileceğimiz küçük ölçekli versiyonda sistem, testlere tabi tutuldu ve %9,89 güneş enerjisinin hidrojen gazına dönüştürme (STH) verimliliği ve uzun süreli bir kararlılık elde edildi. Bu verim eldesinin ardından geniş alanı kapsayan daha büyük ölçekli bir PEC sisteminin inşası gündemdeydi. Büyük ölçekli versiyonun inşası ve testlerinin ardından beklenmedik bir sonuç gözlemlendi. Sistem ölçeğinin büyümesine rağmen verimlilik kaybı minimum seviyede (%8,5) oluştu. Ayrıca kararlı olması da ölçeklenebilirliğini kolaylaştırıyordu³.

Deneyde elde edilen veriler sonucunda PEC sistemlerinin pratik kullanımının yaygınlaşacağında hemfikir olabiliriz. Bütün bu çabalar bize gösteriyor ki sürdürülebilir hidrojen eldesi için yüksek verimli, kararlı ve ölçeklenebilir fotoelektrokimyasal su ayrıştırma sistemleri oluşturulurken farklı materyalleri deneyerek daha verimli sistemler geliştirebilmek mümkündür.

Kaynaklar

1. https://www.tskb.com.tr/blog/kuresel-ekonomi/iklim-degisikligi-ile-mucadelede-yesil-hidrojen
2. Hansora, D., Yoo, J. W., Mehrotra, R., Byun, W. J., Lim, D., Kim, Y. K., … & Lee, J. S. (2024). All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production. Nature Energy, 1-13.
3. https://techxplore.com/news/2024-02-scalable-photoelectrochemical-green-hydrogen-production.html