24 Haz 2022 (Nanowerk Haberleri) RIKEN'deki kimyagerlerden oluşan bir ekip, daha temiz hidrojen yakıtlarının uygun fiyatlı üretiminde ileriye doğru atılan önemli bir adımı temsil eden bir manganez ve kobalt oksit elektrokatalizörü yarattı. Hidrojen, suyu kendisini oluşturan elementlere (oksijen ve hidrojen) ayırmak için kimyasal reaksiyona neden olan elektrik kullanılarak üretilebilir. RIKEN Sürdürülebilirlik Merkezi'nde çalışmaya liderlik eden Ailong Li, "Endüstriyel ölçekte hidrojen üretmenin en büyük engellerinden biri, bu üretim sisteminin elektrotlarından birinde oksijen oluşumu reaksiyonu için uygun bir katalizör bulmaktır" diye açıklıyor. Kaynak Bilimi. Zorluğun, yüksek aktiviteye sahip, ancak reaksiyonun meydana geldiği asidik koşullara da dayanabilen bir elektrokatalizör bulmanın zor olduğunu açıklıyor. Li, bu en yeni katalizörün uygun fiyatlı malzemelerden yapıldığını ve aylarca asitte stabil kaldığını ve oldukça aktif kaldığını1 söylüyor. 'Yeşil hidrojen', suyu bölen elektriği üretmek için yenilenebilir güneş ışığı veya rüzgar enerjisi kullanılarak yapılıyor. Araştırmanın eşbaşkanlarından Shuang Kong, endüstriyel ölçekte fosil yakıtların yerini alması durumunda küresel karbondioksit emisyonlarını büyük ölçüde azaltabileceğini söylüyor. Hidrojen enerji üretmek için yakıldığında tekrar suya dönüşüyor ve bu da onu gerçekten kirlilik içermeyen bir yakıt haline getiriyor. Ülkeleri sürdürülebilir enerjiye geçişlerinde destekleyen hükümetlerarası bir kuruluş olan Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı, büyük ölçekte yeşil hidrojen üretmenin önümüzdeki on yıl içinde maliyet açısından rekabetçi bir seçenek haline gelebileceğini öngörüyor. Bunu “karbon nötrlüğüne giden yolda oyunun kurallarını değiştiren bir gelişme” olarak adlandırdılar.

[Gömülü içerik]

Bu video, yeni bir karışık kobalt manganez elektrokatalizörü kullanılarak su elektrolizi yoluyla üretilen gaz kabarcıklarını göstermektedir. Mevcut standart yöntemlerin aksine, bu katalizör nadir toprak metallerinden yapılmıyor, bu da onu daha sürdürülebilir bir seçenek haline getiriyor.

Uygun fiyatlı aktif

Hem stabilite hem de aktivite koşullarını karşılayan bazı elektrokatalizörler halihazırda mevcut olsa da hepsinin bir dezavantajı var: Dünyadaki en az bulunan elementlerden birini içeriyorlar: iridyum. İridyumun küresel üretimi yılda yalnızca yedi ton olduğundan (bunu perspektife koymak gerekirse, nadir bir metal olarak kabul edilen 170 ton platinin 2020'de çıkarıldığı), endüstriyel kullanım için gereken terawatt düzeyindeki yeşil hidrojenin üretilmesi, kırk yıllık dünya iridyumuna ihtiyaç duyar. Daha sonra 2019'da yapılan bir çalışmada Li ve iş arkadaşları, manganez oksidin, oksijen oluşumu reaksiyonunu katalize etmek için asitte mükemmel stabilite gösterdiğini keşfettiler2. Şimdi, karışık bir oksit üretmek için manganezin başka bir elektrokatalizör olan kobalt okside dahil edilmesiyle, aktiviteden ödün vermeden güçlü asitteki elektrokatalizörün ömrünü yaklaşık 100 kat artırmanın mümkün olduğunu gösterdiler. Bu, iridyum içermeyen elektrokatalizörlerin ömrünü yalnızca birkaç gün veya haftadan iki aydan daha uzun bir süreye çıkarır. Li, elektrokatalizörü çalışırken ilk gördüğünde çok heyecanlandı. Li, "Elektrokatalizörümüz çok aktifti" diyor. "Ölçümleri yapmadan önce bile, baloncuk çağlayanı oluşturduğunu görmek çok güzel bir manzaraydı." Manganez elektrokatalizöre stabilite kazandırırken, kobalt okside yüksek aktivitesini verir. Kong, manganezi “doğanın suyun oksidasyonu için katalizörü” olarak tanımlıyor. Ekip, en uygun karışımın, her bir manganeze karşılık iki kobalt atomu olduğunu buldu. Daha da önemlisi, hem manganez hem de kobalt iridyumdan çok daha fazla miktarda bulunur: Manganezin küresel yıllık üretimi iridyumunkinden 60,000 kat daha fazladır ve yer kabuğunda en yaygın beşinci metaldir.

Temiz, yeşil endüstriyel rüya

Katalizörün kullanım ömründe hala iyileştirmeler yapılabilir. Karışık oksidin aktivasyon bariyeri iridyum oksitlerinkine rakip olsa da, iridyum katalizörleri değiştirilmeye gerek kalmadan onlarca yıl dayanabilir. Ancak Li bu ilerlemeden cesaret alıyor. "Uzun vadede bunun sürdürülebilir bir hidrojen ekonomisi yaratmaya yönelik büyük bir adım olduğuna inanıyoruz" diyor. Hidrojenin aynı zamanda gübrelerin önemli bir bileşeni olan amonyak üretiminde kullanılan önemli bir endüstriyel kimyasal olduğunu da ekliyor. Amonyak üretimine yönelik mevcut endüstriyel süreç oldukça enerji yoğundur ve fosil yakıtlar kullanır: küresel karbon dioksit emisyonlarının yaklaşık %2'sine karşılık gelir. Yeşil hidrojenden üretilen yeşil amonyak bu emisyonların azaltılmasına yardımcı olabilir. Kong, ilk ilham kaynağının Nobel ödüllü Richard Smalley'nin 2004 yılında yaptığı bir konuşma olduğunu söylüyor; burada Smalley, fosil yakıtları yakmak yerine endüstriyi harekete geçirmek için trilyonlarca watt (terawatt) yenilenebilir enerjinin üretildiği bir geleceği anlatıyor. İleriye baktığında Li, elektrokatalizörlerini geliştirmenin ve yeşil hidrojeni daha verimli bir şekilde üretmenin birçok yolunu görüyor. "Bu tekniği ilerletmek için izleyebileceğimiz pek çok yol var" diyor. "Elektrokatalisti geliştirmenin yanı sıra, bazen kullanılan su ayırıcı membranı da geliştirebiliriz." Li, terawatt ölçekli hidrojen üretimiyle uğraşırken verimlilikteki küçük bir artışın bile büyük kazançlar sağlayabileceğine dikkat çekiyor. “Günümüzün büyük ölçekli endüstrisinde verimlilikte yalnızca %1'lik bir artış, yılda 88 milyar kilowatt saat tasarruf sağlayabilir ve karbondioksit emisyonlarını 34 milyon ton azaltabilir.”

Referans

Li, A., Kong, S., Guo, C., Ooka, H., Adachi, K., Hashizume, D., Jiang, Q., Han, H., Xiao, J. & Nakamura, R. Enhancing kobalt spinel oksidin asitte sürdürülebilir oksijen oluşumuna karşı stabilitesi. Doğa Katalizörü 5 109–118 (2022). doi: 10.1038/s41929-021-00732-9 Li, A., Ooka, H., Bonnet, N., Hayashi, T., Sun, Y., ve diğerleri. Asidik koşullar altında manganez oksitlerle uzun vadeli elektrokataliz için kararlı potansiyel pencereler. Uygulamalı Kimya 58 15054–5058. doi: 10.1002/anie.201813361