İridyum bazlı nanomalzemeler daha yeşil bir geleceğe nasıl katkı sağlar?

Metrohm Poster Ödülü, ilk olarak 29 yıl önce Elektroanalitik Kimya Konferansı (ELACH) sırasında başlatılmış ve uzun soluklu bir gelenek haline gelmiştir. Bu ödülün en son versiyonu, Almanya’nın Berlin kentinde düzenlenen Electrochemistry 2022 konferansında iki kazanan arasında paylaştırılmıştır. «Kimya ve Fizik Arasındaki Arayüz» temalı konferans, çeşitli elektrokimya disiplinlerinde uzmanlaşmış 600’ün üzerinde bilim insanını bir araya getirmiştir. Electrochemistry 2022, katılımcılara pandemi sonrası bir platform sunarak en son trendleri ve uygulamaları keşfetme ve sensör teknolojisi, enerji depolama, CO2 azaltımı, fotoelektrokimya, biyoelektrokimya, elektrosentez, korozyon, elektrokimyasal analiz ve elektrokataliz gibi hayati alanlardaki gelişmeleri paylaşma fırsatı sağlamıştır.

2022 Metrohm Poster Ödülü kazananları

300'den fazla poster sunumu gerçekleştirildi ve poster jürisi (bilimsel panel üyeleri), en iyi iki sunumu özenle seçmiştir. Ardından, ödül töreninde kazananlardan her birine 500 € tutarında bir ödül verilmiştir.

Bu  blog makalesinde Marko Malinović’in araştırması ele alınmaktadır. Posterinin başlığı şöyleydi: «Asidik ortamda oksijen ayrıştırma reaksiyonu için boyut kontrollü kristal IrO₂ nanopartiküllerinin sentezi».

CO₂, iklim değişikliği ve otomobiller

İklim değişikliğini hafifletmeye yönelik stratejilerin uygulanması son derece önemlidir. Aşırı CO₂ emisyonlarının sonuçları ve bunun bölgesel iklimler üzerindeki etkisi şimdiden hissedilmekte olup, bu durum kaçınılmaz insan kayıplarına yol açan doğal afetlerin daha sık meydana gelmesine neden olmaktadır.

Ulaşım sektörünün fosil yakıtlara olan yoğun bağımlılığı, 2021 yılında toplam CO2 emisyonlarının %37’sini ortaya çıkarmıştır [1]. Yollarda elektrikli araç sayısının artmasına rağmen, CO2 emisyonlarının azaltılması sorunuyla başa çıkmak için çevre dostu ek teknolojik çözümlere ihtiyaç vardır.

Son zamanlarda, kısmi bir çözüm olarak hidrojenle çalışan otomobillere daha fazla ilgi gösterilmektedir. Bu tür araçlar, hidrojenin (oksijenle reaksiyona girerek) aracı çalıştırmak için gereken elektriği ürettiği ve yan ürün olarak yalnızca su ve ısı ortaya çıkan yakıt hücresi teknolojisine dayanmaktadır. Her ne kadar bu durum ideal gibi görünse de, hidrojen ancak yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretildiğinde iklim açısından nötr kabul edilebilir. 2020 yılında Almanya’da toplam 57 TWh hidrojen üretildi; bunun üçte biri fosil yakıtların buhar reformu yoluyla elde edilmiştir ve dolayısıyla yüksek CO₂ emisyonlarıyla doğrudan bağlantılıdır [2]. «Yeşil hidrojen » olarak bilinen yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen hidrojenin küresel payı %1’den azdır; bu durum, bir etki yaratmak için odak noktasının nereye kaydırılması gerektiğini endişe verici bir şekilde göstermektedir. 

Suyun elektrolizi

Hidrojen üretimi sırasında aşırı CO₂ emisyonunu önlemek için önerilen çözüm, elektrokimyasal su ayrıştırmasıdır. Suyun ayrıştırılmasına ilişkin endotermik reaksiyon için gereken elektrik enerjisi yenilenebilir kaynaklardan sağlanır ve bu sayede yeşil hidrojen üretilir.

Endüstriyel ölçekte üretim için mevcut olan çeşitli elektroliz teknolojileri arasında, alkali su elektrolizörleri ve polimer elektrolit membranlı (PEM) su elektrolizörleri en yaygın olarak kullanılanlardır. Bu ikisi arasında, ikincisi dört kata kadar daha yüksek akım yoğunluğu sağlamakta ve yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen, bazen oldukça öngörülemez olan elektrik girişine daha iyi uyum göstermektedir [3]. Fosil yakıtların fiili fiyat artışlarıyla karşılaştırıldığında, yeşil hidrojen maliyet açısından tamamen rekabetçi hale gelmiştir ve dünyanın bazı bölgelerinde fosil yakıt kaynaklarından elde edilen hidrojenden bile daha ucuzdur. 

Bu da şu soruyu gündeme getirmektedir: Bu teknolojinin küresel hidrojen üretiminde daha büyük bir paya sahip olmasını engelleyen nedir?

Yeşil hidrojen, gelecekte ulaşım sektörü karbon salınımından kurtarabilir mi?

Bu soruyu yanıtlamak için PEM su elektrolizörlerine (PEM-WE) odaklanacağız. Bu elektrolizörler dinamik koşullar altında sorunsuz bir şekilde çalışabilir ve bu sayede yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre edilebilirler. Sonuç olarak, fazla elektrik hidrojen şeklinde depolanabilir.

Bunun gerçekleşmesi için PEM hücresinde iki elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi gerekmektedir. Anotta, oksijen oluşum reaksiyonu (OER) olarak bilinen reaksiyonda su oksitlenerek oksijen, elektronlar ve protonlar oluşturulur. Sonuç olarak, protonlar membran üzerinden iletilir ve katotta indirgenerek hidrojen oluşturulur (Şekil 1). 

Hidrojen istenen ürün olmasına rağmen, bu işlemin zorluğu, su elektrolizörünün genel verimliliğini doğrudan etkileyen OER’nin yavaş olmasıdır. OER’nin kinetik sorununu aşmak için yüksek potansiyeller uygulanır; bu durum, polimer elektrolit membrandan kaynaklanan asidik ortamla birleştiğinde hücrede oldukça zorlu koşullar yaratır ve dolayısıyla bu reaksiyon için katalizör seçimini büyük ölçüde asil metallerle sınırlandırmaktadır.

Iridium imdada yetişti, ama bunun bir bedeli var

Araştırılan çeşitli malzemeler arasında, iridyum bazlı katalizörler katalitik aktivite ve dayanıklılık arasında en iyi dengeyi sunmaktadır [4]. Ancak, PEM su elektrolizinin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesiyle ilgili temel sorun da tam olarak bu noktada yatmaktadır. ridyumun tahmini yıllık arzı yaklaşık yedi tondur; bu da onu dünyadaki en nadir metallerden biri haline getirmektedir [5]. Mevcut iridyum miktarının düşük olması, arz-talep dengesindeki dalgalanmalar ve başlıca madencilik bölgelerini etkileyen mücbir sebep unsurları, fiyatına da yansımaktadır. Nitekim iridyumun fiyatı, 2023 yılında kilogram başına yaklaşık 150.000 € seviyesine yükselmiştir (Nisan 2022 sonundaki yaklaşık 172.200 €/kg ile ulaştığı zirve seviyeden gerilemiş olmasına rağmen) [6].

İridyumun yüksek ve öngörülemez maliyeti ile sınırlı bulunabilirliği göz önünde bulundurulduğunda, PEM su elektrolizörlerinde (PEM-WE) kullanılan iridyum bazlı katalizör miktarını azaltırken aynı zamanda yüksek performans ve dayanıklılığı koruyacak yöntemler geliştirmek, günümüzün en önemli bilimsel zorluklarından biridir. İlgi çekici bir şekilde, Bernt ve arkadaşları [7], ulaşım sektörünün 2100 yılına kadar hidrojen yakıtlı araçlar kullanılarak karbondan arındırılması durumunda, iridyuma özgü güç yoğunluğunun mevcut seviyeye kıyasla 50 kat azaltılması gerektiğini hesaplamıştır. Başka bir ifadeyle, aynı miktardaki iridyumla bugün elde edilenden yaklaşık 50 kat daha fazla elektroliz kapasitesi sağlanabilmelidir; aksi hâlde küresel ölçekte gerekli iridyum arzı sürdürülebilir olmayacaktır.

Sürdürülebilir enerji dönüşümü için nanomalzemeler

Bu zorluğun büyüklüğü, Prof. Dr. Marc Ledendecker’in grubunda yürütülen Marko Malinović’in araştırmasının itici gücüdür. Az miktarda asil metal içeren, verimli ve dayanıklı bir iridyum bazlı katalizör tasarlamak hiç de kolay bir iş değildir. Literatürde bu zorluğun üstesinden gelmeye yönelik çok sayıda katalizör tasarımı (Şekil 1) bildirilmiştir; bunlar arasında saf metal iridyum, metal oksitler, karışık metal oksitler, çekirdek-kabuk yapıları, işlenmiş oksitler ve nanoyapılı malzemeler yer almaktadır [8]. Marko’nun araştırması, metal benzeri iletkenlik sağlayabilen, ancak metalik muadillerine kıyasla daha yüksek dayanıklılık sunma potansiyeline sahip olan iridyum oksit malzemelerine odaklanmaktadır.

Katalizörün kullanımının en üst düzeye çıkarılmasını sağlamak amacıyla, Marko’nun araştırması, katalizde yalnızca katalizörün yüzeyinin aktif olarak rol aldığı için yüksek yüzey-hacim oranlarına sahip nanomalzemeler sentezlemeyi hedeflemektedir. Amorf iridyum oksit (IrO₂), OER’e karşı üstün aktivitesiyle iyi bilinse de, dayanıklılığı daha uzun çalışma sürelerini garanti altına almak için hâlâ yetersizdir [9]. 400 °C ve üzeri sıcaklıklarda elde edilen kristal iridyum oksit, katalizörün stabilitesi üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir [10]. Ancak, yüksek kalsinasyon sıcaklıkları kaçınılmaz olarak katalitik olarak aktif yüzey alanının azalmasına yol açmaktadır.

Ledendecker araştırma grubu tarafından geliştirilen yeni sentez yöntemi, yüksek sıcaklıklarda yapılan ısıl işlemden sonra bile parçacık boyutu ve morfolojisi korunmuş IrO₂ nanopartiküllerinin sentezlenmesine imkân sunmaktadır [11]. Bu yöntemi benzersiz kılan unsur, dayanıklılıktaki artışın katalitik olarak aktif yüzey alanından ödün verilmeden sağlanmasıdır. Böylelikle, katalizörün kullanımının en üst düzeye çıkarılması gibi temel hedef güvence altına alınmaktadır.

Sonraki adımlar

Bu değerli asil metalin miktarının daha da azaltılması gerekmektedir. Bu, yeryüzünde bol miktarda bulunan bir malzemenin çekirdek malzemesi olarak kullanılması ve bunun üzerine ince bir IrO₂ tabakası kaplanması yoluyla sağlanabilir; böylece «çekirdek-kabuk» olarak bilinen bir yapı oluşturulmaktadır (Şekil 1)  [12].

Doğru çekirdek malzemesinin seçilmesi, aktif iridyum oksit kabuğunun nihai elektrokimyasal özellikleri üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olabilmektedir. Çekirdek ve kabuk malzemeleri arasındaki termodinamik uyumluluğun yanı sıra, çekirdek malzemelerinin değerlendirmeye alınabilmesi için yerine getirilmesi gereken temel ön koşullar, metalik iletkenlikleri ve asidik ortamda korozyona karşı dirençleridir [13]. PEM-WE’nin çalışma koşulları altında asil olmayan metallerin korozyon direncinin şüpheli olduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu konu büyük önem taşımaktadır ve Marko’nun gelecekteki araştırma planlarında özel bir yer tutacaktır.