Hidrojen üretimi için iridyum katalizörlerinin daha uzun süre dayanmasını sağlamanın yeni bir yolu

Hidrojen üretmenin birçok yolu var ancak bunların hepsi çevre dostu değil. Su elektrolizi, karbondioksit (CO₂) üretmeden suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrik kullanan umut verici bir yöntemdir.

Su elektrolizine yönelik farklı yaklaşımlar arasında proton değişim membranı (PEM) elektrolizi, elektrik kaynağındaki değişikliklere hızlı tepki verme yeteneğiyle öne çıkıyor. Bu esneklik, onu özellikle rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarıyla kullanıma uygun hale getiriyor.

Ancak bu teknoloji, oksijen üretimi için iridyum bazlı katalizörlere dayanıyor; bu katalizörler yalnızca metalin nadir olması nedeniyle pahalı olmakla kalmıyor, aynı zamanda zamanla etkinliğini de kademeli olarak kaybedebiliyor.

İridyum katalizörlerinin daha uzun süre dayanmasına yardımcı olmak için araştırmacılar, metali bozulmadan koruyacak yeni bir tasarım geliştirdiler. İridyum nanoparçacıklarını özel olarak tasarlanmış yüksek entropili bir perovskite yerleştirerek, elektronik ortamlarını düzenlerken parçacıkları yerinde sıkı bir şekilde tutan bir yapı oluşturdular.

Çalışma şu dergide yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

Tohoku Üniversitesi İleri Malzeme Araştırma Enstitüsü’nden Seçkin Profesör Hao Li şöyle açıklıyor: “Birkaç farklı metalin kendi içinde birleşmesine olanak tanıyan özel bir kristal yapıya sahip bir malzeme geliştirdik. Daha basit perovskitlerde, her kristal alanı türü tipik olarak bir tür metal tarafından işgal edilir, ancak bunlar gibi yüksek entropili perovskitler birkaç farklı metalin aynı tür alanı paylaşmasına izin verir. Bu, birçok olası atom düzenlemesi yaratarak bize malzemenin özelliklerini kontrol etme konusunda daha fazla esneklik sağlar.” (TEFE-AIMR).

“Bu metalleri dikkatli bir şekilde seçerek, yapısal stabiliteyi reaksiyon sırasında malzemenin elektronik özelliklerini ayarlama yeteneği ile birleştirebildik ve iridyumun bozulmadan korunmasına yardımcı olduk.”

Yüksek entropili perovskiti bir katalizöre dönüştürmek için araştırmacılar, malzemenin özel koşullar altında ısıtıldığı, eksolüsyon adı verilen bir işlem kullandılar. Bu, malzemenin içindeki iridyumun bir kısmının yüzeye hareket etmesine ve nanopartiküller oluşturmasına neden oldu.

Nanopartiküllerin tipik olarak bir destekleyici yüzeye biriktirildiği geleneksel katalizörlerin aksine, bu partiküller malzemenin kendisinden ortaya çıktı. Bu, onları sıkı bir şekilde yerinde tutar ve hareket etmelerini veya bir araya gelmelerini önlemeye yardımcı olur ve potansiyel olarak katalizörün daha uzun süre dayanmasına olanak tanır.

Araştırmacılar ayrıca, iridyumun elektron kaybedip kararsız hale gelebildiği bir süreç olan su elektrolizi sırasında yeni malzemenin iridyumu nasıl koruduğunu da incelediler. Deneyler ve bilgisayar simülasyonları yoluyla, geliştirilen yüksek entropili perovskitin, elektronların iridyum etrafında nasıl dağıldığını düzenleyerek iridyumun daha uzun süre dayanmasına yardımcı olduğunu buldular.

Aslında araştırmacılar bunu bir PEM su elektrolizöründe test ettiğinde sistem çok az performans kaybıyla 3.800 saatten fazla çalıştı. Daha da zorlu koşullar altında yapılan ayrı bir testte, 3.200 saatten fazla çalışarak daha uzun ömürlü hidrojen üretimi potansiyelini gösterdi.

• 
  

• 
  

Yeni katalizörü değerlendirmek için araştırmacılar onu diğer malzemelerle karşılaştırdılar. Geleneksel bir iridyum katalizörü 300 saat içinde önemli bozulma belirtileri gösterirken, yeni katalizör 650 saatten fazla stabil kaldı.

Li, “Bulgularımız, iridyumu çevreleyen malzemenin dikkatli bir şekilde tasarlanmasının, katalizör dayanıklılığını önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor” dedi. “Çalışmamızın daha güvenilir ve uygun fiyatlı su elektroliz sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunarak yeşil hidrojen üretimini daha büyük ölçekte daha pratik hale getireceğini umuyoruz.”