Fotoğraf: Zhenxing Feng, Oregon Eyalet Üniversitesi
Araştırmacılar, Daha Temiz ve Sürdürülebilir Hidrojen Üretimine Doğru Önemli Bir Adım Atıyor
Oregon Eyalet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi araştırmacıları, Cornell Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı ortak çalışanları sayesinde sudan verimli bir şekilde sürdürülebilir kitlesel hidrojen üretmek artık gerçeğe daha yakın.
Bilim adamları, doğal gazdan hidrojen elde etme yönteminden daha temiz ve sürdürülebilir bir elektrokimyasal katalitik süreci daha net bir şekilde anlamak için gelişmiş deneysel araçlar kullandılar.
Hidrojen, dünya üzerinde çok çeşitli bileşiklerde bulunur, en yaygın olanı oksijenle su oluşturmak için birleşmesidir ve birçok bilimsel, endüstriyel ve enerjiyle ilintili rollere sahiptir. Doğal gazın ana bileşeni olan metan gibi hidrojen ve karbondan oluşan hidrokarbonlar şeklinde de oluşur.
Araştırmayı yöneten, Oregon Eyalet Üniversitesi kimya mühendisliği profesörlerinden Zhenxing Feng, “Hidrojen üretimi, arabalar için yakıt hücreleri ve amonyak gibi faydalı kimyasalların üretimi dahil olmak üzere, hayatımızın birçok alanında önemlidir. Ayrıca metallerin rafine edilmesinde, plastik gibi insan yapımı malzemelerin üretiminde ve bir dizi farklı amaç için de kullanılmaktadır,” dedi.
Enerji Bakanlığı’na göre, Amerika Birleşik Devletleri hidrojenin çoğunu doğal gaz gibi bir metan kaynağından “steam reforming” prosesiyle üretiyor. Bu proses, bir katalizör varlığında metanın basınçlı buhara maruz bırakılmasını, hidrojen ve karbon monoksit ile az miktarda karbondioksit üreten bir reaksiyon oluşturmayı içerir.
Bir sonraki adım, karbon monoksit ve su buharının farklı bir katalizör aracılığıyla reaksiyona girerek karbondioksit ve fazladan hidrojeni oluşturduğu su-gaz değişimi reaksiyonu olarak adlandırılır. Son adım ise basınç salınımı adsorpsiyonudur. Bu adımda, karbondioksit ve diğer safsızlıklar giderilir, geride saf hidrojen kalır.
Feng, “Steam reforming prosesiyle karşılaştırıldığında, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen elektriğin kullanılması, suyu ayrıştırarak hidrojen elde etmek için daha temiz ve daha sürdürülebilir bir yol,” dedi ve ekledi, “Ancak, su ayırmanın verimliliği düşüktür, bunun başlıca nedenleri, prosesteki bir yarı tepkimenin aşırı yüksek potansiyeli (elektrokimyasal reaksiyonun gerçek potansiyeli ile teorik potansiyeli arasındaki fark) veya oksijen oluşum reaksiyonu (OER) olabilir.”
Bir yarı tepkime, bir redoksun iki bölümünden (indirgenme-yükseltgenme) biridir ve elektronların iki reaktan arasında aktarıldığı reaksiyondur. İndirgenme elektron kazanmayı, yükseltgenme ise elektron kaybetmeyi ifade eder.
Yarı tepkime kavramı genellikle bir elektrokimyasal hücrede neler olup bittiğini tanımlamak ve redoks tepkimelerini dengelemek için kullanılır. Aşırı potansiyel, bir yarı tepkimenin, teorik potansiyeli ile elektroliz için gerekli olan gerçek potansiyeli arasındaki farktır ve elektrik akımının uygulanmasıyla tetiklenen bir kimyasal reaksiyondur.
Feng, elektrokatalizörlerin, aşırı potansiyeli düşürerek su ayırma reaksiyonunu gerçekleştirmede kritik öneme sahip olduğunu, fakat yüksek performanslı elektrokatalizörlerin geliştirilmesinin kolay olmaktan oldukça uzak olduğunu belirtti ve ekledi “En büyük engellerden biri, elektrokimyasal işlemler sırasında elektrokatalizörlerin gelişen yapısı ile ilgili bilgi eksikliğidir. OER sırasında elektrokatalizörün yapısal ve kimyasal evrimini anlamak, yüksek kaliteli elektrokatalizör malzemelerini ve enerji sürdürülebilirliğini geliştirmek açısından çok önemlidir.”
Feng ve çalışma arkadaşları, son teknoloji ürünü bir OER elektrokatalizörü olan stronsiyum iridatın (SrIrO3), asit elektrolit içindeki atomik yapısal evrimini incelemek için bir dizi gelişmiş karakterizasyon aracı kullandılar.
Feng, “Yaygın ticari bir katalizör olan iridyum oksitten 1000 kat daha yüksek olan OER için bu rekor düzeydeki aktivitesinin kaynağını anlamak istedik. Bunun için, Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki senkrotron tabanlı X-ışını tesislerini ve OSU Kuzeybatı Nanoteknoloji Altyapısı sahasındaki laboratuvar tabanlı X-ışını foto-elektron spektroskopisini kullanarak, OER sırasında SrIrO3‘ün yüzey kimyasal ve kristalinden amorf dönüşümünü gözlemledik,” dedi.
Gözlemler, stronsiyum iridatın bir katalizör kadar iyi çalışma yeteneğinin arkasında neler olup bittiğinin derinlemesine anlaşılmasına yol açtı.
“Ayrıntılı ve atomik ölçekli bulgumuz, aktif stronsiyum iridat tabakasının stronsiyum iridat üzerinde nasıl oluştuğunu açıklıyor ve kafes oksijen aktivasyonunun ve aktif OER birimlerinin oluşumuna bağlı iyonik difüzyonun kritik rolüne işaret ediyor,” dedi Feng.
Feng, bu çalışmanın, uygulanan potansiyelin elektrokimyasal ara yüzeyde işlevsel amorf katmanların oluşumunu nasıl kolaylaştırdığına dair fikir verdiğini ve daha iyi katalizörlerin tasarımı için imkan sağladığını da sözlerine ekledi.
Kaynak: chemeurope.com