Katalizör, Hidrojen Elektrolizörlerinde İridyum Kullanımını %95 Oranında Azalttı

Araştırmacılar, “yeşil” hidrojen üretmek için gereken iridyumu %95 oranında azaltan, üretim oranlarını koruyan ve karbon nötr hidrojen ekonomisinin fizibilitesini artırmayı vaat eden yeni bir yöntem geliştirdiler. Kredi bilgileri: SciTechDaily.com

Japon bir araştırma ekibi, hidrojen üretiminde bir atılım gerçekleştirerek verimlilikten ödün vermeden iridyum ihtiyacını %95 oranında azalttı ve sürdürülebilir, büyük ölçekli hidrojen enerjisi çözümlerinin önünü açtı.

Dünya fosil yakıt bazlı enerji ekonomisinden geçiş yaparken, pek çok kişi hidrojenin baskın enerji para birimi olacağına inanıyor. Ancak fosil yakıtları kullanmadan “yeşil” hidrojen üretmek henüz ihtiyacımız olan ölçekte mümkün değil çünkü son derece nadir bir metal olan iridyum gerektiriyor.

Dergide bugün (9 Mayıs) yayınlanan bir çalışmada BilimJaponya’daki RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilimi Merkezi’nden (CSRS) Ryuhei Nakamura liderliğindeki araştırmacılar, hidrojen üretim oranını değiştirmeden reaksiyon için gereken iridyum miktarını %95 oranında azaltan yeni bir yöntem rapor ediyor. Bu atılım, çevre dostu hidrojen üretme yeteneğimizde devrim yaratabilir ve karbon nötr bir hidrojen ekonomisinin başlamasına yardımcı olabilir.

Sentezlenen İridyum Oksit

Sentezlenen iridyum oksidin (D) taramalı elektron mikroskobu görüntüsü ve korozyona dayanıklı platin kaplı titanyum ağ (E,F,G) üzerine elektrodepozisyonlanmış manganez oksit üzerinde dağılmış iridyumun (parlak noktalar) taramalı transmisyon elektron mikroskobu görüntüleri. Kredi bilgileri: RIKEN

Hidrojen Üretimi Zorlukları

Dünyanın %70’i suyla kaplı olduğundan hidrojen gerçekten yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Ancak fosil yakıtlara dayalı enerji üretimine rakip olabilecek ölçekte sudan hidrojen çıkarmak henüz mümkün değil. Mevcut küresel enerji üretimi neredeyse 18 terawatt’tır; bu, herhangi bir anda dünya çapında ortalama 18 trilyon watt civarında enerji üretildiği anlamına gelir. Fosil yakıtların yerini alacak alternatif yeşil enerji üretim yöntemlerinin aynı enerji üretim oranlarına ulaşabilmesi gerekiyor.

Hidrojeni sudan çıkarmanın yeşil yolu, katalizör gerektiren bir elektrokimyasal reaksiyondur. Bu reaksiyon için en iyi katalizörler (en yüksek hızı ve en istikrarlı hidrojen üretimini sağlayanlar) nadir metallerdir; iridyum ise en iyilerin en iyisidir. Ancak iridyumun kıtlığı büyük bir sorundur. Araştırmanın ilk yazarlarından Shuang Kong, “İridyum o kadar nadir ki, küresel hidrojen üretimini terawatt ölçeğine çıkarmak için 40 yıllık iridyum gerektiği tahmin ediliyor” diyor.

Katalizör Geliştirmede Yenilikler

RIKEN CSRS’deki Biyofonksiyonel Katalizör Araştırma Ekibi, iridyum darboğazını aşmaya ve uzun süreler boyunca yüksek oranlarda hidrojen üretmenin başka yollarını bulmaya çalışıyor. Uzun vadede, oldukça sürdürülebilir olacak, ortak toprak metallerine dayalı yeni katalizörler geliştirmeyi umuyorlar. Aslında takım yakın zamanda başarılı oldu Katalizör olarak bir manganez oksit formunu kullanarak yeşil hidrojen üretimini nispeten yüksek bir seviyede stabilize etmede. Ancak bu şekilde endüstriyel düzeyde üretime ulaşmak hâlâ yıllar alıyor.

Nakamura, “Nadir metal ve yaygın metal bazlı elektrolizörler arasındaki boşluğu doldurmanın bir yoluna ihtiyacımız var, böylece yıllar içinde tamamen sürdürülebilir yeşil hidrojene kademeli bir geçiş yapabiliriz” diyor. Mevcut çalışma manganezi iridyumla birleştirerek tam da bunu yapıyor. Araştırmacılar, tek tek iridyum atomlarını bir manganez oksit parçası üzerine birbirlerine değmeyecek veya topaklanmayacak şekilde yaydıklarında, proton değişim membranı (PEM) elektrolizöründeki hidrojen üretiminin, kullanıldığındakiyle aynı oranda sürdürüldüğünü buldu. tek başına iridyum, ancak %95 daha az iridyum içerir.

Potansiyel ve Gelecek Yönler

Yeni katalizörle, 3000 saatin üzerinde (yaklaşık 4 ay) %82 verimle, bozulma olmadan sürekli hidrojen üretimi mümkün oldu. Ortak yazar Ailong Li, “Manganez oksit ve iridyum arasındaki beklenmedik etkileşim başarımızın anahtarıydı” diyor. “Bunun nedeni, bu etkileşimden kaynaklanan iridyumun nadir ve oldukça aktif +6 oksidasyon durumunda olmasıdır.”

Nakamura, yeni katalizörle elde edilen hidrojen üretim seviyesinin, anında kullanım açısından yüksek potansiyele sahip olduğuna inanıyor. “Katalizörümüzün gerçek dünya uygulamalarına kolaylıkla aktarılabilmesini bekliyoruz” diyor ve ekliyor: “Bu da mevcut PEM elektrolizörlerinin kapasitesini anında artıracaktır.”

Ekip, halihazırda başlangıçtaki iridyum-manganez katalizörünü geliştirmeyi başarmış olan endüstrideki ortaklarla işbirliği yapmaya başladı. İleriye dönük olarak RIKEN CSRS araştırmacıları, gerekli iridyum miktarını daha da azaltma umuduyla iridyum ve manganez oksit arasındaki spesifik kimyasal etkileşimi araştırmaya devam etmeyi planlıyor. Aynı zamanda, endüstriyel ortaklarla işbirliğine devam edecekler ve yakın gelecekte yeni katalizörü endüstriyel ölçekte dağıtmayı ve test etmeyi planlayacaklar.

Referans: “Oksijen oluşumu katalizi için MnO2 indirgemesinden atomik olarak dağılmış altı değerlikli iridyum oksit” 9 Mayıs 2024, Bilim.
DOI: 10.1126/science.adg5193



Kaynak