Elektrokimyasal sistem, amonyaktan saf hidrojeni önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda çıkarır

Kolayca depolanabilen ve taşınabilen bir sıvı olan amonyak (NH₃) yakıt hücrelerinde, yarı iletken imalatında, kimyasal işlemlerde ve diğer uygulamalarda kullanılan hidrojen için çekici bir taşıyıcıdır. Bununla birlikte, amonyağın hidrojen ve nitrojene ayrılması tipik olarak yüksek sıcaklıklar gerektirir ve ortaya çıkan gaz karışımının, hidrojenin birçok uygulamada kullanılabilmesi için ek saflaştırmaya tabi tutulması gerekir.

MIT araştırmacıları şimdi, amonyaktan hidrojen salınımını teşvik etmek ve aynı zamanda hidrojeni yüksek saflıkta bir akış halinde ayrıştırıp yoğunlaştırmak için bir elektrokimyasal yaklaşım geliştirdiler. Çıkarmayı hızlandırmak için elektrik kullanan stratejileri, amonyak ve diğer hidrojen taşıyıcılarından hidrojeni geri kazanmak için gereken sıcaklığı ve enerjiyi azaltıyor.

Yeni bir çalışmada araştırmacılar, yaklaşımlarının oldukça konsantre, saf hidrojen akımları üretebileceğini gösterdi.

Donner Bilim Profesörü ve kimya ve kimya mühendisliği profesörü Yogesh Surendranath, “Termodinamik olarak yokuş yukarı ve kinetik olarak zor dehidrojenasyon reaksiyonlarını yürütmek için elektrokimyayı kullanma yeteneğini gösterdik” diyor. “Bu durumda, hidrojen ekonomisi için olası hidrojen taşıyıcıları olarak önemlerinden dolayı amonyak ve sıvı bir organik molekülün dönüşümünü inceledik. Ancak burada öğrendiğimiz kavramlar prensipte daha fazla tercüme edilebilir ve biz de bunu diğer önemli dehidrojenasyon reaksiyonlarına çevirmek için aktif olarak çalışıyoruz.”

Surendranath, bugün ortaya çıkan çalışmanın sorumlu yazarıdır. Doğa. Şu anda Çin’in Shenzhen kentindeki Harbin Teknoloji Enstitüsü’nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan MIT doktora sonrası araştırmacısı Rui Zeng, makalenin baş yazarıdır.

Hidrojen çıkarma

Hidrojen, yarı iletken üretiminde ve kimyasal işlemlerde yaygın olarak kullanılır ve aynı zamanda yanma olmadan elektrik üretmek için hidrojen ve oksijeni kullanan yakıt hücrelerinde bir enerji taşıyıcısıdır. Ancak kullanımının genişletilmesi, onu saklamanın ve dağıtmanın pratik yollarını gerektirecektir.

Hidrojen gazının sıkıştırılmadan veya sıvılaştırılmadan verimli bir şekilde taşınması zordur. Bir alternatif, hidrojeni kimyasal olarak sıvı olan veya kolayca sıvılaştırılabilen bileşiklerde depolamak, daha sonra ihtiyaç duyulan yerde ve zamanda serbest bırakmaktır.

Amonyak umut verici bir hidrojen taşıyıcısıdır çünkü zaten üretilmekte ve büyük mesafeler boyunca taşınmaktadır, ancak amonyaktan hidrojenin geri kazanılması hala zorludur. “Çatlama” olarak bilinen bu işlem, yüksek reaksiyon hızlarına ve dönüşüme ulaşmak için 500°C’den (932°F) daha yüksek sıcaklıklar gerektirir. Daha sonra hidrojenin nitrojenden ve reaksiyona girmemiş amonyaktan ayrılması gerekir.

Surendranath, “Aksi takdirde olumsuz bir hidrojen giderme reaksiyonu olacak bir reaksiyonu tahrik etmek için elektrik girdilerini kullanıp kullanamayacağımızı ve aynı zamanda bunu hidrojeni hidrojen taşıyıcısından ayıracak şekilde yapıp yapamayacağımızı, böylece çok saf olmasını ve doğrudan bir yakıt hücresinde veya yüksek saflıkta hidrojen akışı gerektiren başka bir uygulamada kullanılıp kullanılamayacağını sormak istedik” diyor.

Araştırmacıların yeni tasarımının temel unsuru, paladyum bazlı bir ayırma membranının, erimiş bir hidroksit elektroliti aracılığıyla hidrojen üreten bir elektrotla birleştirilmesidir. Ayırma membranı, reaksiyon karışımının diğer bileşenlerinin geçmesini engellerken hidrojeni seçici olarak taşır.

Yeni düzenek kullanılarak amonyak ilk önce rutenyum ve sezyum içeren bir katalizörle hidrojenden arındırılıyor. Daha sonra hidrojen, karşı tarafı erimiş hidroksit elektrolit ile temas halinde olan ayırma membranına ulaşır.

Bu membran boyunca oluşan elektrokimyasal gradyan, hidrojen için etkili bir şekilde bir “vakum” oluşturarak hidrojenin membran boyunca taşınması için güçlü bir itici güç sağlar. Aynı zamanda hidrojeni, hidrojen gazı oluşturmak üzere ikinci bir elektrotta yeniden birleşmeden önce sırasıyla erimiş elektrolit ve dış devre boyunca ayrı ayrı hareket eden protonlara ve elektronlara dönüştürür.

Membran hidrojeni seçici olarak taşıdığı için sistem, ayrı bir aşağı saflaştırma işlemi gerektirmeden konsantre bir hidrojen gazı akışı üretir.

Surendranath, “Bu elektrokimyasal süreci kullanarak, hidrojenin düşük konsantrasyondan yüksek konsantrasyona aktif olarak pompalanmasını gerçekleştirebiliyoruz” diyor.

Hidrojeni sürekli olarak çıkarmak, özellikle hidrojenin varlığı reaksiyonu engellediğinde, dehidrojenasyon reaksiyonunun ilerlemesine de yardımcı olabilir. Bu strateji, bu şekilde ürünü ayırmaktan daha fazlasını yapar: Reaksiyon ortamını değiştirir ve daha ılıman koşullar altında hidrojenin geri kazanılmasını sağlar.

Dolayısıyla bu işlem, geleneksel amonyak parçalaması için gereken sıcaklıklardan çok daha düşük olan 200°C veya 300°C (392°F veya 572°F) civarındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Diğer bir avantajı ise daha sonra saflaştırılması gerekmeyen saf bir hidrojen akışı yaratmasıdır; bu, ek enerji gerektiren bir adımdır.

British Columbia Üniversitesi’nde kimya ve kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü Curtis Berlinguette, yöntemi amonyak ve diğer hidrojen taşıyıcılarından saf bir hidrojen akışı elde etme problemini çözmenin “güçlü yeni bir yolu” olarak tanımladı.

Araştırmada yer almayan Berlinguette, “Hidrojeni serbest bırakılırken membrandan çekmek için elektrik kullanarak, amonyak ve sıvı organik hidrojen taşıyıcılarının dehidrojenasyonunu hızlandırırken aynı zamanda saflaştırılmış bir hidrojen akışı üretirler. Bu, enerji bilimleri için önemli bir ilerlemedir çünkü hidrojenin kararlı kimyasal taşıyıcılarda taşınması ve ihtiyaç duyulan yerde ve zamanda serbest bırakılması için güvenilir bir yol açar” diyor araştırmaya dahil olmayan.

Ulaşıma güç vermek

Bu çalışmada araştırmacılar, bu yaklaşımın sadece amonyağı değil aynı zamanda metilsikloheksanı dehidrojene etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Bu molekül, aynı zamanda bir enerji taşıyıcısı olma potansiyeline de sahip olan, sıvı organik hidrojen taşıyıcıları (LOHC’ler) olarak bilinen bir sınıfın parçasıdır.

Araştırmacılar, yeni stratejilerinin arabalara, otobüslere veya gemilere güç sağlamak gibi ulaşım uygulamaları veya yarı iletken veya elektronik imalatı için yararlı olabileceğini öngörüyor. Saf hidrojen gazı, yarı iletken üretiminde çeşitli aşamalarda kullanılır; burada üretim veriminin artırılmasında ve yüzey kusurlarının azaltılmasında önemli rol oynar.

Paladyum pahalı bir metal olduğu için araştırmacılar artık ayırma membranı için gereken paladyum miktarını azaltmanın yolları üzerinde çalışıyor. Ayrıca süreci büyütmek ve bunu endüstriyel olarak faydalı olabilecek diğer dehidrojenasyon reaksiyonlarına uygulamak için de çalışıyorlar.