Koreli Bilim İnsanları, Şimdiye Kadarki En Verimli Platinsiz Hidrojen Elektroliz Sistemini Tanıttı

Temiz enerji çözümlerine geçişin hızlandığı günümüzde, hidrojen; ağır sanayiden uzun mesafe taşımacılığına kadar pek çok alanda karbonsuzlaşma sürecinde öne çıkan bir seçenek haline geldi.

Mevcut hidrojen üretim yöntemleri arasında, yalnızca su ve elektrik kullanarak yüksek saflıkta hidrojen üretebilen proton değişim membranlı su elektrolizi (PEMWE), dikkat çeken teknolojilerden biri olarak öne çıkıyor. Ancak sistemin önündeki en büyük engel, platin ve iridyum gibi nadir ve pahalı metallere olan bağımlılığı nedeniyle üretim maliyetlerinin yüksek olması.

KAIST’ten Profesör Hee-Tak Kim ve Kore Enerji Araştırma Enstitüsü’nden (KIER) Dr. Gisu Doo tarafından yürütülen araştırma ekibi, platinsiz çalışabilen ve yüksek performans sunan yeni bir PEMWE yöntemi geliştirdi. Elde edilen sonuçlar, üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürerek hidrojenin küresel ölçekte yaygınlaşmasını hızlandırabilir.

PEMWE Sistemlerindeki Gizli Zayıflık

PEMWE hücreleri, oksijen gelişim reaksiyonunu gerçekleştirmek üzere iridyum oksit (IrOx) katalizörü kullanıyor. IrOx oldukça aktif olmasına rağmen, platin kaplama olmadan tam potansiyeline ulaşamıyor. Ekip, sınırlamanın elektrot arayüzündeki yapısal sorunlardan kaynaklanan zayıf elektron iletimi ile ilişkili olduğunu ortaya koydu.

Araştırmacılar, “pinch-off etkisi” olarak bilinen kilit bir sorunu tespit etti. Bu durum, IrOx katalizörü, iyonomer (katı elektrolit) ve titanyum alt tabaka buluştuğunda ortaya çıkıyor.

İyonomer, iyon iletiminde gerekli bir bileşen olsa da, küçük katalizör parçacıklarının çevresinde elektriksel yalıtkan görevi görüyor. Ayrıca iyonomer titanyum alt tabakaya temas ettiğinde, oksit tabakası üzerinde bir bariyer oluşturarak iletkenliği daha da kötüleştiriyor.

Daha Büyük Katalizör Parçacıklarıyla Çözüm

Araştırma ekibi, bu sorunun çözümünde tek bir değişken üzerinde yoğunlaştı: parçacık boyutu. Farklı çaplarda IrOx katalizörleri ürettiler ve bu parçacıkları hem gerçek PEMWE hücrelerinde hem de sayısal simülasyonlar yoluyla test ettiler. Ortaya çıkan sonuçlar son derece dikkat çekiciydi.

20 nanometreden büyük parçacıklar, daha az sayıda pinch-off bölgesi oluşturarak elektronların katalizör ile alt tabaka arasında daha rahat geçişini sağladı. Böylece platin olmadan sistemin performansı geri kazanıldı.

Araştırma, parçacık boyutunun tek başına PEMWE sistemlerinde iletkenliği ciddi şekilde iyileştirebildiğini dünyada ilk kez kanıtlamış oldu.

Daha Akıllı Arayüz Tasarımı

Ekip yalnızca parçacık boyutuyla yetinmedi. Katalizör tabakasının yapısını da optimize ederek, iyonomerin olumsuz etkisini azaltmayı ve güçlü katalitik aktiviteyi sürdürmeyi başardı. Yenilik, daha önce birbirine zıt olduğu düşünülen reaktivite ve iletkenlik arasındaki dengeyi değiştirdi.

Mikroskobik ölçekte yapılan arayüz mühendisliği sayesinde, platin içermeyen sistemde hem yüksek aktivite hem de düşük direnç sağlandı.

Daha Ucuz ve Ölçeklenebilir Hidrojenin Yolu

“Bu araştırma, yüksek performanslı su elektrolizi teknolojisindeki arayüz iletkenliği sorununu çözebilecek yeni bir arayüz tasarım stratejisi sunuyor.” diyen Prof. Kim, sistemin pahalı malzemelere ihtiyaç duymadan yüksek performans sunmasının, hidrojen ekonomisinin gerçekleşmesine bir adım daha yaklaştıracağını vurguladı:

“Platin gibi pahalı malzemelere ihtiyaç duymadan yüksek performans elde ederek, hidrojen ekonomisinin hayata geçirilmesine bir adım daha yaklaşılmış olacak.”

Çalışma yalnızca daha ucuz elektroliz sistemlerinin önünü açmakla kalmıyor, aynı zamanda Güney Kore’nin küresel sürdürülebilir enerji yarışındaki konumunu da güçlendiriyor.

Araştırmanın sonuçları, Energy & Environmental Science dergisinde yayımlandı.

‍

‍

‍

‍

Kaynak:https://interestingengineering.com/energy/platinum-free-hydrogen-breakthrough-korea