Koordinasyon Bağlı Polimer Camı Elektrolitleri Yakıt Hücreleri için Yeni Bir Devrim Sağlıyor
Yazan: Arda Durer Düzenleyen: Ümit Sözbilir
Özet: Japonya’da Dahili Hücreler ve Malzeme Bilimleri Enstitüsü (iCeMS) yakıt hücrelerinin verimliliğini arttırmak ve mekanik özelliklerini iyileştirmek için alternatif elektrolit malzemesi arayışlarında koordinasyon bağlı polimer camı elektrolitini yeni bir yaklaşım kullanarak önerdi.
Elektrolitler enerji depolayan sistemlerde etkin bir rol oynamaktadırlar. Elektriğin yani elektron ve proton hareketinin oluşması için elektrolitteki iyonların hareket etmesi, böylelikle tepkimenin oluşması gerekir. Hidrojen yakıt hücrelerinde ise elektrik üretmek için hidrojen ve oksijen sisteme eklenir ve tek yan ürün su oluşur. Bu tarz yakıt hücreleri, hidrojenin protonlarının ve elektronlarının ayrılmasını kolaylaştıran ve sonuçta elektrik üretimini sağlayan proton iletken yüzeyler içerir.
Elektrik üretim işleminin veriminin arttırılması için en önemli etmen elektrolitteki yüzeylerin boşluklu yapıda olmasıdır. Bu sayede protonlar ve elektronlar daha kolayca hareket edebilir.
Elektrolit olarak kullanılan sıvı elektrolitler boşluklu yapılar sayesinde avantajlı iken; susuz ortamlarda çalışamazlar ve yanıcı olabilirler. Ayrıca bu elektrolitlerin imalatı oldukça karmaşıktır.
Buna çözüm olarak Japonya’da geliştirilen koordinasyon bağlı polimer camı elektrolitleri ise sıvı olarak değil, katı olarak uygulanmaktadır. Katı olmasından kaynaklı şekil verilebilirliği zor olsa da daha yüksek proton iletkenliğine, daha iyi mekanik ve ısıl özelliklere, daha güvenli kullanıma ve daha ucuz üretim yöntemlerine sahiptir.
Tomohiro Ogawa ve ekibi koordinasyon bağlı polimer camı elektrolitlerini protik iyonik sıvıyı[1] yani H2PO4 ve dietil metil amonyum (dema) çözeltisini, çinko iyonlarıyla (Zn2+) karıştırarak ürettiler.
Bu bileşiğin koordinasyon bağlı olmasının nedeni, ligand adı verilen bir elektron çifti vericisi olan protik iyonik sıvının elektron çiftini bir metal atomu olan çinko ile paylaşmasıdır.
Zn2+ ve H2PO4− tepkimesi bir ağ yapısı oluşturur, H2PO4− köprü yani ligand görevindedir. Bu ağ yapısında dema katyonları koordinasyon bağlı polimer camı ile çevrilidir. Bu ağ yapıları sürekli olarak tekrarlanarak üretim yapılır. Koordinasyon bağlı polimer yapının −22°C üzerinde katı ve amorf[2] olması yapının cam olarak nitelendirilmesini sağlamıştır. Camsı geçiş sıcaklığı[3] −22°C’dir ve bu sıcaklığın üzerindeki her koşulda elektrolit yapısı çalışabilir.
Protik iyonik sıvı ve metal atomlarından oluşan koordinasyon bağ yapıları yüksek proton iletkenliği sağlarken, hidrojen bağlarının oluşumunu önlemektedir.
Tüm bu uygulamalar uygun mekanik özellikleri ve yüksek protonletkenliği ile de enerji depolama sistemlerinde koordinasyon bağlı polimer camlı katıların kullanılması için umut vermektedir.
[1] 100°C altında sıvı olabilen katyonda asidik proton içeren tuz.
[2] Düzensiz atom diziliminin olduğu yapı.
[3] Maddenin camsı özelliklerini kazandığı sınırdır. Bu sınırın altında cam katı olarak üstünde ise; camsı özelliğini kaybedip viskoz olarak bulunur.
Kaynaklar
Ogawa, T., Takahashi, K., Nagarkar, S. S., Ohara, K., Hong, Y., Nishiyama, Y., & Horike, S. (2020). Coordination polymer glass from a protic ionic liquid: Proton conductivity and mechanical properties as an electrolyte. Chemical Science, 11(20), 5175-5181. DOI:10.1039/d0sc01737j
https://tr.wikipedia.org/wiki/Amorf_kat%C4%B1
https://tr.wikipedia.org/wiki/Cams%C4%B1_ge%C3%A7i%C5%9F_s%C4%B1cakl%C4%B1%C4%9F%C4%B1
