Düşük sıcaklıkta çalışan metanol ve hidrojen yakıt hücreleri üzerindeki çalışmaların fazla olmasına rağmen, polimerik malzemeler için etkili bir katalizör sistemi olmadığından, var olan düşük sıcaklık yakıt hücreleri, biyokütleyi direkt yakıt olarak kullanamıyor.
Georgia Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, güneş ya da ısı enerjisi ile aktive olan bir katalizörün yardımıyla biyokütleyi doğrudan elektriğe dönüştüren yeni bir tür düşük sıcaklık yakıt hücresi geliştirdi. Bu hibrid yakıt hücresi nişasta dahil olmak üzere, selülozdan lignine, dallı darıdan talaşa, yosunlardan kümes hayvanları işlemlerindeki atığa kadar geniş bir yelpazedeki biyokütle kaynaklarını kullanabiliyor.
Bu cihaz gelişmekte olan ülkelerdeki küçük ölçekteki işletmelerde elektrik sağlamak amacıyla kullanılabilecekken, yeterli miktarda biyokütlenin bulunduğu büyük tesislerde de güç sağlama amacıyla kullanılabilir.
"Biyokütleyi oda sıcaklığında işleyebilecek yeni bir yöntem geliştirdik ve kullanılacak olan biyokütle tek bir tür ile sınırlı değil; proses, hemen hemen herhangi bir biyokütle ile yürütülebilir," diyen Georgia Teknoloji Enstitüsü Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği ve Kağıt Bilimi ve Teknoloji Enstitüsü (IPST) profesörü Yulin Deng ve şöyle devam ediyor, "Farklı türlerdeki biyokütle ve organik atıktan, hammaddelerin saflaştırılmasına gerek kalmadan elektrik enerjisi üretmek genel bir düşüncedir."
7 Şubat 2014'te yayınlanan Nature Communications dergisinde bu yeni solar-indüklü biyokütleden doğrudan elektrik üreten hibrid yakıt hücresi tanıtılmıştı.
Profesör Deng, , doğal bir polimer olan biyokütle yakıt hücrelerinin çıkardığı zorluğun karbon-karbon bağlarını, sıradan katalizörler ile kolayca kırılamıyor oluşuna dikkat çekiyor. Bunun üstesinden gelebilmek için, bilim insanları, biyokütleyi yıkmak için mikro ya da enzim bulunduran mikrobiyal yakıt hücreleri geliştirdi. Ancak bu prosesin birçok dezavantajı var; bu tip hücrelerin gücü sınırlı, mikroplar veya enzimler sadece belli tipteki biyokütleleri yıkıma uğratabiliyor ve bu mikrobiyal sistem birçok etken sebebiyle aktifliğini yitirebiliyor.
Deng ve araştırma ekibi, yakıt hücresinin indirgeme-oksidasyon reaksiyonunu aktive etmesi için dışarıdan bir enerji kaynağı kullanabilecek bir kimyasal değişim ile bu zorluğu aştılar.
Geliştirilen bu yeni sistemde ise biyokütle, çözelti içinde polioksometalat (POM) katalizörü ile karıştırılıp güneş ışığına veya ısıya maruz bırakılıyor. Bir fotokimyasal ve termokimyasal katalizör olan POM, hem oksidasyon ajanı hem de yük taşıyıcı olarak görev yapıyor. Işık ya da termal ışınların altında biyokütlenin oksidasyonunu sağlıyor ve biyokütleden yakıt hücresinin anotuna yük taşıyor. Ardından elektronlar katoda ulaşıyor ve burada oksijen ile oksidasyona uğrayıp bir dış devrede elektrik üretiyorlar.
"Eğer biyokütle ve katalizörü oda sıcaklığında karıştırırsanız, reaksiyona girmezler", diyor Deng. "Ancak bunları ısıya ya da ışığa maruz bıraktığınızda, reaksiyon başlar. Biyokütle direk oksijenle bağlanamadığı için, POM ara bir reaksiyon basamağı ortaya çıkarıyor."
Bu sistem, tek bir kimyasal proses ile fotokimyasal ve solar-termal biyokütle bozunmasının birleştirilmesi dahil, yüksek solar dönüşümü ve verimli biyokütle bozunması gibi önemli avantajlar sağlıyor. Aynı zamanda anot katalizörü olarak pahalı soy metalleri kullanmıyor; çünkü yakıt oksidasyon reaksiyonları çözelti içindeki POM ile katalize oluyor. Dahası, POM kimyasal olarak kararlı yapıda olduğundan hibrid yakıt hücresi, saflaştırılmamış polimerik biyokütlede, soy metal anot zehirlemesi endişesi olmadan kullanılabiliyor.
Sistem, çözünebilir biyokütlelerde ya da sıvı içerisinde askıda kalan organik metallerde kullanılabiliyor. Bu yeni yakıt hücresi ile yapılan 20 saatlik deneysel çalışmalar POM katalizörünün başka bir arıtma kullanmadan tekrar kullanılabilir olduğunu göstermiştir.
Araştırmacılar yayınlanan çalışmalarında, bu yeni yakıt hücresinde elde edilen maksimum güç yoğunluğu 0.72 miliwatt/cm2 olarak belirtilmiştir. Bu değer, selüloz bazlı mikrobiyal yakıt hücrelerindeki değerin yaklaşık 100 kat daha fazlasıdır ve hemen hemen en iyi mikrobiyal yakıt hücresidir. Deng, proses optimize edildiğinde çıkış değerinin 5 ile 10 kat arasında artabileceğine inanıyor.
"Bu tip yakıt hücrelerinin gelecekte, metanol yakıt hücreleri ile aynı çıkış enerjisini verebileceğine inanıyorum", diyen Deng sözlerine şunu da ekliyor: "Sistemi optimize etmek için gerçekleşen kimyasal prosesi ve bunu nasıl geliştirebileceğimizi daha iyi anlamamız gerekiyor."
Ayrıca araştırmacıların bu sistemi, solar enerji veya diğer proseslerdeki atıl ısı gibi başka tür enerji girişli işletim sistemleri ile karşılaştırmaları gerekli. Biyokütleyi doğrudan yakıt olarak kullanabilmenin de ötesinde, yeni hücre, sürdürülebilirlik için avantajlar sunarken, diğer yakıt hücrelerine göre de daha az maliyet potansiyeli bulunduruyor.
"Herhangi bir kimyasal zehirlenme olmadan sürdürülebilir malzemeler kullanabiliriz", diyor Deng. "Solar enerji ve biyokütle, günümüz dünyasında ulaşılabilir olan iki önemli sürdürülebilir enerji kaynağı. Bizim sistemimiz, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak bu iki kaynağı birlikte kullanıp elektrik üretebilir."
Profesör Deng ile birlikte Georgia Teknoloji Enstitüsü Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği ve Kağıt Bilimi ve Teknoloji Enstitüsü'nden WeiLiu, Wei Mu, MengjieLiu, Xiaodan Zhang ve Hongli Cai de araştırma ekibinde yer alıyor.
Kaynak:WeiLiu ve ark., "Solar-induceddirectbiomass-to-electricityhybridfuelcellusingpolyoxometalates as photocatalystandchargecarrier," (Nature Communications, 2014). (http://www.dx.doi.org/10.1038/ncomms4208).
İngilizce orjinal metin için;
Türkçe'ye hazırlayan : Çağla Çıbuk