Argonne Ulusal Laboratuvarı, sudan verimli hidrojen ekstraksiyonunu artıran, düşük maliyetli, kobalt bazlı bir katalizöre öncülük etti. Bu yenilik, DOE’nin yeşil hidrojen üretim maliyetlerini önemli ölçüde azaltma hedefine ulaşma yolunda önemli bir adımdır.
Yeni bir katalizör, sudan çevre açısından sürdürülebilir hidrojen üretmeyle ilgili masrafları azaltır.
Bol miktarda temiz enerji kaynağı göz önünde pusuda bekliyor. Yenilenebilir enerji kullanılarak sudan (H2O) çıkarılabilen hidrojendir. Araştırmacılar, fosil yakıtların yerini almak ve iklim değişikliğiyle mücadele etmek amacıyla sudan temiz hidrojen elde etmek için uygun maliyetli stratejiler arıyor.
Hidrojen, araçlar için güçlü bir güç kaynağıdır ve sudan başka bir şey yaymaz. Ayrıca, özellikle çelik ve amonyak üretiminde olmak üzere çeşitli endüstriyel işlemlerde çok önemli bir rol oynar. Bu endüstrilerde daha temiz hidrojenin kullanılması son derece faydalı olacaktır.
ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı liderliğindeki çok kurumlu bir ekip, sudan temiz hidrojen elde eden bir süreç için düşük maliyetli bir katalizör geliştirdi. Katkıda bulunan diğer kuruluşlar arasında DOE’nin Sandia Ulusal Laboratuvarları ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ile Giner Inc. bulunmaktadır.
“Elektroliz adı verilen bir işlem, sudan hidrojen ve oksijen üretir ve bir asırdan fazladır kullanılmaktadır,” dedi Argonne’da kıdemli kimyager olan Di-Jia Liu. Ayrıca Chicago Üniversitesi’ndeki Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulu’nda ortak bir randevusu vardır.
Proton değişim membranı (PEM) elektrolizörleri, bu süreç için yeni nesil bir teknolojiyi temsil eder. Oda sıcaklığında suyu daha yüksek verimlilikle hidrojen ve oksijene ayırabilirler. Azalan enerji talebi, onları güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir ancak aralıklı kaynaklar kullanarak temiz hidrojen üretmek için ideal bir seçim haline getiriyor.
Kıdemli kimyager Di-Jia Liu, ısıl işlemden sonra bir tüp fırının içindeki bir katalizör örneğini incelerken doktora sonrası Chenzhao Li, katalizör sentezi için bir basınçlı reaktör taşıyor. Kredi: Argonne Ulusal Laboratuvarı
Bu elektrolizör, elektrotlarının (katot ve anot) her biri için ayrı katalizörlerle çalışır. Katot katalizörü hidrojen verirken, anot katalizörü oksijen oluşturur. Bir sorun, anot katalizörünün şu anki piyasa fiyatı ons başına yaklaşık 5.000 $ olan iridyum kullanmasıdır. Arz eksikliği ve iridyumun yüksek maliyeti, PEM elektrolizörlerinin yaygın olarak benimsenmesinin önünde büyük bir engel oluşturuyor.
Yeni katalizörün ana bileşeni, iridyumdan önemli ölçüde daha ucuz olan kobalttır. ”Minimum enerji tüketirken yüksek verimde hidrojen üreten bir PEM elektrolizöründe düşük maliyetli bir anot katalizörü geliştirmeye çalıştık,” dedi Liu. ”Metodumuza göre hazırlanan kobalt bazlı katalizör kullanılarak, bir elektrolizörde temiz hidrojen üretmeye yönelik ana maliyet darboğazı ortadan kaldırılabilir.”
Elektrolizörlerin ve yakıt hücrelerinin ticarileştirilmesine yönelik çalışan lider bir araştırma ve geliştirme şirketi olan Giner Inc., endüstriyel çalışma koşullarında PEM elektrolizör test istasyonlarını kullanarak yeni katalizörü değerlendirdi. Performans ve dayanıklılık, rakiplerin katalizörlerininkini çok aştı.
Katalizör performansını daha da ilerletmek için önemli olan, elektrolizör çalışma koşulları altında atomik ölçekte reaksiyon mekanizmasını anlamaktır. Ekip, Argonne’daki Gelişmiş Foton Kaynağında (APS) X-ışını analizlerini kullanarak katalizörde çalışma koşulları altında meydana gelen kritik yapısal değişiklikleri deşifre etti. Ayrıca Sandia Labs’ta ve Argonne Center for Nanoscale Materials’da (CNM) elektron mikroskobu kullanarak temel katalizör özelliklerini belirlediler. APS ve CNM ikisi de DOE Office of Science kullanıcı tesisleridir.
“Yeni katalizörün yüzeyindeki atomik yapıyı hazırlığın çeşitli aşamalarında görüntüledik,” dedi bir Argonne malzeme bilimcisi olan Jianguo Wen.
Ayrıca, Berkeley Laboratuvarı’ndaki hesaplamalı modelleme, katalizörün reaksiyon koşulları altındaki dayanıklılığına ilişkin önemli içgörüler ortaya çıkardı.
Ekibin başarısı, DOE’nin Hidrojen Enerjisi Earthshot’ında ileriye doğru atılmış bir adımdır. ABD uzay programının ”1960’ların Ay Atışı ”nı taklit eden girişim. İddialı hedefi, yeşil hidrojen üretiminin maliyetini on yıl içinde kilogram başına bir dolara düşürmektir. Bu maliyetle yeşil hidrojen üretimi, ülke ekonomisini yeniden şekillendirebilir. Uygulamalar arasında elektrik şebekesi, imalat, ulaşım ve konut ve ticari ısıtma yer alır.
“Daha genel olarak, sonuçlarımız pahalı değerli metallerden yapılan katalizörleri çok daha az pahalı ve daha bol bulunan elementlerle değiştirme konusunda umut verici bir yol çiziyor” dedi Liu.
Referans: “Proton değişim membran elektrolizi için La- ve Mn-katkılı kobalt spinel oksijen evrimi katalizörü”, yazan Lina Chong, Guoping Gao, Jianguo Wen, Haixia Li, Haiping Xu, Za ch Green, Joshua D. Sugar, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu, Xiao-Min Lin, Hui Xu, Lin-Wang Wang ve Di-Jia Liu, 11 Mayıs 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade1499
Araştırma DOE Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi tarafından desteklenmiştir. Enerji, Hidrojen ve Yakıt Pili Teknolojileri Ofisi’nin yanı sıra Argonne Laboratuvarı Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme finansmanı.