Hidrojen yakıt, fosil yakıtların yerini alabilecek temiz bir enerji kaynağı olarak ortaya çıkmaktadır. Hidrojen sürdürülebilir bir şekilde üretmenin bir yolu, titanyum dioksit (Tio₂) gibi bir fotoanodun güneş ışığını emdiği ve oksijen üretimini kolaylaştırırken, katotta hidrojen üretilir.
Bununla birlikte, fotoanoddaki işlem, reaksiyonu tamamlayabilmeden önce yeniden birleşen elektronlar ve delikler nedeniyle verimsizlikten muzdariptir. Bu kayıpları anlamak, teknolojiyi geliştirmek için gereklidir.
Yayınlanan bir çalışma Amerikan Kimya Derneği Dergisi 22 Şubat 2025’te bu zorluk hakkında yeni bilgiler sunuyor. Bu çalışmada, Japonya’daki Dr. Yohei Cho, Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nde Japonya İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (JAist) ve Prof. Fumiaki Amano, gerçek zamanlı olarak elektron hareketini izlemek için gelişmiş bir teknik kullandı.
Yoğunluk modülasyonlu foto-akım spektroskopisini (IMPS) gevşeme süreleri (DRT) analizinin dağılımı ile birleştirerek, araştırmacılar daha önce ayrılmaz olan yük taşıma davranışlarını belirlediler. Geleneksel yöntemlerden farklı olarak, bu yaklaşım önceden tanımlanmış devre modellerine dayanmaz, daha net ve daha doğrudan analizlere izin verir.
“Metodolojimiz, elektron hareketini ayrıntılı olarak görmemizi, daha önce ayrılmaz süreçleri ortaya çıkarmamızı sağlar. Bu sadece temel yük taşımacılığı anlayışımızı geliştirmekle kalmaz, aynı zamanda malzeme performansını arttırmak için doğrudan yollar sunar” diyor Dr. Cho.
Şimdiye kadar, PEC su bölünmesindeki enerji kayıpları nicel olarak farklılaşamadı. Bu çalışma, rekombinasyonun üç farklı mekanizma yoluyla meydana geldiğini ortaya koymuştur.
Daha yüksek voltajlarda, ışık malzemeye çok derin nüfuz ettiğinde verimsizlik ortaya çıkar, bu da aşırı penetrasyon indüklenen rekombinasyona (OPR) yol açar. Orta voltajlarda, aşırı bir fotojenerasyonlu delik birikimi, aşırı delikte indüklenen rekombinasyon (EHR) olarak adlandırılan ikinci bir rekombinasyona neden olur. Daha düşük voltajlarda, arka elektron deliği rekombinasyonu (BER), delikler reaksiyona katkıda bulunmadan önce geri dönen elektronlarla yeniden birleştiğinde meydana gelir.
Çalışma ayrıca, bu rekombinasyon etkilerinin ışık yoğunluğuna bağlı olarak değiştiğini ve malzeme performansının büyük ölçüde dış koşullara bağlı olduğunu ortaya koyduğunu gösterdi.
Çalışmanın en heyecan verici keşiflerinden biri, araştırmacıların “uydu zirvesi” olarak adlandırdığı daha önce bilinmeyen bir yavaş tepkinin tespiti idi. Dr. Cho, “Uydu zirvesinin keşfi çok önemlidir, çünkü su bölünmesindeki hız sınırlama adımını belirlememize yardımcı olur. Bunu ele alarak PEC sistemlerinin verimliliğini önemli ölçüde artırabiliriz.”
Hidrojen üretiminin ötesinde, bu atılım, karbondioksit indirgeme ve atık su arıtımından kendi kendini temizleme ve antibakteriyel yüzeylere kadar daha geniş uygulamalara sahiptir. Prof. Amano, “Yaklaşımımız çeşitli fotokatalitik sistemlerde yaygın olarak uygulanabilir. Rekombinasyon kayıplarını anlayarak ve hafifleterek, bir dizi temiz enerji ve çevresel uygulamalar için malzemeleri optimize edebiliriz.”
İleriye baktığımızda, bu araştırma önümüzdeki beş ila 10 yıl içinde temiz enerjideki büyük ilerlemelerin yolunu açmaya yardımcı olabilir. Bilim adamları, enerji kayıplarını teşhis etmek ve azaltmak için kesin bir araç sağlayarak hidrojen üretim verimliliğini önemli ölçüde artıran yeni malzemeler geliştirebilirler. Bu, güneş enerjili hidrojeni daha uygun ve uygun fiyatlı bir enerji kaynağı haline getirerek fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmaya ve daha yeşil bir dünyaya geçişi hızlandırmaya yardımcı olacaktır.
Dr. Cho, “Uzun vadeli etkileri tam olarak değerlendirmek için daha fazla araştırma yapılması gerekse de, bu çalışma yarı iletken teknolojisindeki potansiyel gelişmeler için sağlam bir temel oluşturuyor” diyor.
