Gelecekteki yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına dayalı ekonomi, pille çalışan arabaları, büyük ölçekli güneş ve rüzgar çiftliklerini ve pillerde, kimyasal yakıtlarda depolanan enerji rezervlerini kullanacak. Halihazırda kullanımda olan sürdürülebilir enerji kaynaklarının örnekleri olmasına rağmen, bilimsel ve mühendislik atılımları, yaygın bir şekilde benimsenmesi için gereken zaman çizelgesini belirlemekte.
Fosil yakıtlardan uzaklaşmak ve toplumun elektrik ihtiyacını karşılamak için hidrojen teknolojisi gündeme getiriliyor. Bilim insanları hidrojen gazını kütlesel üretilmesi için suyu hidrojen yakıtı ve solunabilir oksijen gazına bölme sürecini inceliyorlar.
Virginia Tech College of Science’ta kimya profesörü yardımcı doçenti olan Feng Lin, enerji depolama ve dönüştürme araştırmalarına odaklanıyor. Bu çalışma, Nature Catalysis dergisinde yayınlanan ve Lin Lab’ın enerji verimli bir katalizörü yeniden birleştirmek, canlandırmak ve yeniden kullanmak için yeni bir teknik gösterdiği elektrokimyasal su bölme sürecindeki kilit, temel bir engeli çözen yeni bir çalışmanın parçasıdır.
Bu çalışmanın ana fikri, genel kimya derslerindeki bir konuya geri dönüyor: katalizörler. Bu maddeler kimyasal işlemde tüketilmeden reaksiyon oranını arttırır. Bir katalizörün reaksiyon hızını artırmasının bir yolu, reaksiyonun başlaması için gereken enerji miktarını azaltmaktır.
Su, sadece üç atomdan oluşan bir molekül olarak temel görünebilir, ancak onu bölme işlemi oldukça zor. Ama Lin’in laboratuvarı bunu başardı. Bir elektronun kararlı bir atomdan taşınması bile yoğun enerji gerektirirken, bu reaksiyon dört taşınma işlemiyle gerçekleşiyor. Lin, “Bir elektrokimyasal hücrede, dört elektron transfer süreci reaksiyonu oldukça yavaş hale getirecek ve bunun gerçekleşmesi için daha yüksek bir elektrokimyasal seviyeye ihtiyacımız var” dedi. “Suyu bölmek için gereken daha yüksek enerji ile, uzun vadeli verimlilik ve katalizör kararlılığı karşılaştığımız temel zorluklar.”
MNF Katalizörü
Bu yüksek enerji ihtiyacını karşılamak için Lin Lab, eşiği düşürmek için karışık nikel demir hidroksit (MNF) adı verilen ortak bir katalizör sunuyor. MNF ile su ayırma reaksiyonları iyi sonuç verir fakat MNF’nin yüksek reaktivitesi nedeniyle, kısa ömürlüdür ve katalitik performansı hızla düşer.
Lin ve ekibi, MNF’nin orijinal durumuna periyodik olarak yeniden monte edilmesine izin verecek yeni bir teknik keşfetti ve böylece suyu bölme işleminin devam etmesinin önündeki engel ortadan kalkmış oldu. (Ekip deneylerinde tatlı su kullandı, ancak Lin, dünyadaki en bol su türü olan tuzlu suyun da işe yarayabileceğini öne sürüyor.)
MNF, enerji çalışmaları ile uzun bir geçmişe sahiptir. Thomas Edison, bir asırdan daha uzun bir süre önce pillerle uğraştığında, aynı nikel ve demir elementleri nikel hidroksit bazlı pillerde de kullandı. Edison, nikel hidroksit deneylerinde oksijen gazı oluşumunu gözlemledi ki bu bir pil için kötüdür, ancak suyun bölünmesi durumunda amaç oksijen gazı üretimidir.
Lin’in ekibinden olan Kuai “Bilim insanları uzun zamandır nikel hidroksit kafesine demir eklenmesinin su bölünmesinin reaktivitesini artırmanın anahtarı olduğunu fark ettiler. Ancak katalitik koşullar altında, önceden tasarlanmış MNF’nin yapısı, elektrolitik çözeltinin oldukça aşındırıcı ortamı nedeniyle oldukça dinamiktir.” dedi.
Lin, “İki dakikalık düşük potansiyel sırasında, elektroda yalnızca nikel ve demir iyonlarının biriktirildiğini değil, aynı zamanda bunları çok iyi karıştırdığımızı ve oldukça aktif katalitik bölgeler oluşturduğumuzu gösterdik” dedi. “Bu gerçekten heyecan verici, çünkü katalitik malzemeleri atomik uzunluk ölçeğinde birkaç nano metrelik elektrokimyasal arayüz içinde yeniden inşa ediyoruz.”
X-Ray Işınları İle Bulguları Doğrulama
Bu bulguları doğrulamak için Lin’in ekibi, Argonne Ulusal Laboratuvarı’nın Gelişmiş Foton Kaynağında ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı Stanford Senkrotron Radyasyon Işık Kaynağı’nda senkrotron X-ışını ölçümleri gerçekleştirdi. Bu ölçümler, genel hastane röntgeni ile aynı temel önermeyi kullanır, ancak çok daha büyük bir ölçektedir.
Senkrotron tesisleri, Virginia Tech’teki Drillfield’ın boyutuna benzer, X-ışını spektroskopisi ve yüksek hızlarda görüntüleme yapabilen devasa bir döngü gerektirir. Bu, katalitik çalışma koşulları Lin’e yüksek düzeyde veri sağladı. Çalışma ayrıca nitrojen azaltma, karbondioksit azaltma ve çinko-hava pilleri gibi bir dizi diğer önemli elektrokimyasal enerji bilimleri hakkında da bilgi verdi.
Lin, “Görüntülemenin ötesinde, çok sayıda X-ışını spektroskopik ölçümleri, bireysel metal iyonlarının nasıl bir araya geldiğini ve farklı kimyasal bileşimlerle kümeler oluşturduğunu incelememize izin verdi,” dedi. “Bu, gerçek kimyasal reaksiyon ortamlarında elektrokimyasal reaksiyonları araştırmanın kapısını gerçekten açtı.”
Fosil yakıtların artık yer kürenin ulaşılamayacak kadar aşağılarında kalması, çevre kirliliğinin her geçen gün artması bilim insanlarını temiz ve yenilenebilir enerji elde etme araştırmalarını artırmaya itiyor. Ancak su kaynaklarımızın da önümüzdeki 30 yıl içerisinde ciddi bir tükenmeye gideceği de aşikar. Yine de, fosil yakıtların tükenmesi halinde enerji ihtiyacımızın giderileceğini gösteren araştırmalar yapılması içimizi rahatlatıyor.
Bilim kategorisinde bulunan diğer içerikleri de okumanızı tavsiye ederiz!
