Katalizörlerin Aktivitesi Arttırılarak Yeşil Hidrojen Daha Verimli Üretilebilir

Yazan: Regine Panknin        
Çeviren: Arda Durer 
Düzenleyen: Çağla Ayaz

Özet: Araştırmacılar, elektrot yüzeyindeki ince bir katman sayesinde maliyet arttırmadan üretilen yeşil hidrojen miktarının iki katına çıkarılabileceğini belirtiyor.

Hidrojen gazı yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan elektrikle suyun elektrolizi sayesinde üretilirse yeşil hidrojen olarak adlandırılır. Hidrojen bataryalar rüzgâr ve güneş enerjisini depolayabildiğinden enerji dönüşümünün temel bir parçası olarak kabul edilir. Üretim aşamasında termodinamik açıdan tepkimeler çift taraflı ilerlediği için iki adet elektrot[1] bulunur. Negatif yüklü elektrotta hidrojen üretimi olurken, pozitif yüklü elektrotta oksijen üretimi olur. Bu nedenle hidrojen üretirken gerekli olan oksijen üretimini destekleyen katalizörler tüm süreci daha enerji verimli hâle getirir. Hidrojen kullanımının önündeki en büyük engellerden biri yüksek enerji gereksinimleridir.

Perovskit[2] malzemesi olan lantan nikelat (LaNiO₃) bu işlemlerde kullanılan bir katalizördür (tezleştirici). Kristal yapısı nikel oksit ve lantan oksit katmanları arasında şekillenmiştir. Jülich’teki araştırma faaliyetlerini yöneten Peter Grünberg Enstitüsünden Felix Gunkel, “Lantan nikelat katalizörlerini daha kusursuz bir şekilde ürettik ve daha detaylı inceledik.” diyor. Bunu iki farklı türde yüksek saflıkta LaNiO₃ kristali üreterek şu şekilde yaptılar: ilk olarak kristaller lantan ve oksijen atomlarının bulunduğu bir yüzeyde sınırlanır. Uzmanlar buna lantan sınırlandırması diyorlar. Diğer tipte nikel ve oksijen atomları yüzeyi oluşturur buna da nikel sınırlandırması denilir.

Nikel bir elektrotun daha büyük lantan elektrotla karşılaştırıldığında aynı anda iki kat daha fazla oksijen ürettiği ortaya çıktı. Bäumer, “Şaşırtıcı bir şekilde sadece bir nikel ve oksijen atomu katmanı malzemenin katalitik (tezleşebilme) aktivitesinde çok önemli bir artış sağladı.” diyor. Bilim insanları bunun neden olduğunu da buldular. Elektroliz sırasında, nikel kristal üzerinde lantan sınırlandırması sırasında oluşamayan katalitik olarak çok aktif bir nikel dioksit tabakası oluşur. Başlangıçtaki kristal yapıyla karşılaştırıldığında yeni oluşan nikel dioksit tabakası, nikel iyonları ile oksijen veya hidroksit iyonları arasında aktiviteyi arttıran ideal bağlanma durumlarına sahiptir. Stanford Üniversitesinde Profesör William Chueh, “Aktif katalizörler geliştirmek istiyorsanız hem sınırlandırmayı hem de çalışma koşullarında ortaya çıkan yapısal değişiklikleri diğer malzemeler için de hesaba katmanız gerektiği sonucuna vardık.” diyor.

Araştırma sonuçları, perovskit malzemelerde bu sınırlandırmanın belirlenmesi için değişkenleri göstermektedir. Bunlardan ilki üretildikleri sıcaklıktır. Bilim insanları lantan nikelat söz konusu olduğunda, yüksek sıcaklıkların lantan sınırlandırmasını kolaylaştırdığını keşfettiler. Bäumer durumu “Nikel sınırlandırılmış kristaller üretmek için atomik olarak ince bir nikel atomu tabakasını lantan sınırlandırmalı bir kristalin yüzeyine seçici olarak uygulamamıza izin veren bir yöntem kullandık.” diye açıklıyor.

Araştırmacılar sadece bulgularını araştırabildiler çünkü elektrokatalist araştırmasında ilk kez senkrotron x ışını radyasyonun dalgaları aracılığıyla kristal yüzey bileşimini analiz eden bir yöntem kullandılar. Bu dalgalar X ışınlarının girişimi ile oluşturulabilir. Bunun ön koşulu ise araştırılacak aktif katmanın altında 40 alternatif katmandan oluşan LaNiO₃ X ışını yansıtıcısının atomik boyutta üretimiydi. Bilim insanları, X ışını kaynağı olarak Berkeley’deki Gelişmiş Işık Kaynağı’nı kullandılar. Modifiye edilmiş nikel yüzeyindeki nikel iyonları ile oksijen veya hidroksit iyonları arasındaki optimize edilmiş bağlanma durumları, ABD Menlo Park’taki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarında bilim insanları tarafından hesaplamalarla kanıtlandı. Proje DOE Bilim Ofisi tarafından finanse edildi ve Baeumer, Marie Sklodowska-Curie bursu aracılığıyla Avrupa Birliğinin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programı tarafından da desteklendi.

[1] Yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarının gerçekleştiği iletken metal. (Kaynak: Vikipedi)

[2] CaTiO₃ kübik kristal yapısına sahip olan malzemelerin genel adı. (Kaynak: Vikipedi)