Bilim insanları, yakıt hücrelerinde platin yerine turba bazlı katalizör kullanarak performansı artırabilirler.

Bilim insanları, yakıt hücrelerinde platin yerine turba bazlı katalizör kullanarak performansı artırabilirler.

Bir araştırma ekibi, iyi ayrışmış turba yatağının yeni nesil yakıt hücresi katalizörleri için sürdürülebilir ve son derece verimli bir öncü madde olarak kullanılabileceğini ve potansiyel olarak pahalı platinin yerini alabileceğini gösterdi.

Çalışma, Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ve Estonya'daki Tartu ve Tallinn üniversitelerinden bilim insanları tarafından gerçekleştirildi.

Amaçları, platinin baskın maliyet faktörü olmaya devam ettiği anyon değişim membranlı yakıt hücrelerinde oksijen indirgeme reaksiyonu için platinsiz bir katalizör oluşturmaktı. Demir-azot-karbon (Fe-N-C) katalizörleri, günümüzde yakıt hücrelerinde kullanılan platin katalizörlerine göre daha ucuz bir alternatif sunabilir.

Bilim insanları, demir-azot-karbon (Fe-N-C) katalizörlerinin çeşitli örneklerindeki karmaşık mikro yapıların oluşumunu gözlemlemek için üçüncü nesil BESSY II senkrotron radyasyon kaynağında gelişmiş X-ışını saçılımı yöntemini kullandılar.

Yakıt hücresi verimliliğinde artış

Yakıt hücreleri, hidrojeni elektriğe dönüştürür ve tek yan ürün olarak su üretir. Ancak teknoloji, uzun vadeli iklim nötr enerji stratejileri için temel bir rol oynasa da, platin hala büyük bir engel teşkil ediyor.

Gümüşi beyaz değerli metal, şu anda yakıt hücrelerinin ne kadar verimli çalıştığını belirleyen yavaş adım olan oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) için standart katalizördür. Bunu daha ucuz, bol bulunan malzemelerle değiştirmek, yakıt hücresi üretim maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir.

Bu arada, demir ve azot içeren karbon bazlı katalizörler bu amaç için umut vadeden bir seçenektir ve anyon değişim membranlı yakıt hücrelerinde kullanılabilir.

Bazı karbon bazlı malzemeler, karınca kolonisi gibi işlev gören birbirine bağlı gözeneklere sahip, oldukça gözeneklidir. Hidrojen ve oksijen atomları, aktif katalitik bölgelere ulaşmak için bu geçitlerden geçer. Ortaya çıkan su da aynı şekilde dışarı atılır.

Çalışmanın ilk yazarı ve Tartu Üniversitesi'nde doçent olan Dr. Rutha Jäger, "Katalizörün hiyerarşik yapısını, gözenek duvarlarının boyutunu ve kalınlığını değiştirerek, çok farklı özelliklere sahip malzemeler üretebiliriz" dedi.

Katalizör öncüsü olarak turba

HZB'de elektrokimyacı olan Eneli Härk, ekibin bazı turba kaynaklı örneklerin neden olağanüstü performans gösterdiğini, diğerlerinin ise geride kaldığını anlamak istediğini açıkladı. Bunu araştırmak için, BESSY II'de küçük açılı X-ışını saçılımı (SAXS) ve anormal SAXS yöntemlerini kullanarak malzemeleri incelediler. Senkrotronun yüksek hassasiyetli ışın demeti, yapısal düzensizliği, gözenekliliği, gözenek eğriliğini ve demir içeren aktif merkezlerin dağılımını nicel olarak belirlemelerine olanak sağladı. Härk, bu parametrelerin standart yöntemlerle yakalanmasının neredeyse imkansız olduğunu belirtti.

Bilim insanları, farklı sıcaklıklarda beş katalizör örneği sentezledi. Bu sıcaklıklar 800 ila 1000 santigrat derece (1472 ila 1832 Fahrenhayt) arasında değişiyordu. Ayrıca üretim sırasında çeşitli gözenek değiştirici maddeler de kullandılar.

X-ışını verileri, katalitik verimliliği etkileyen 13 yapısal faktörü ortaya koydu. Ekip, en az üç nanometrelik bir gözenek eğriliğinin daha verimli oksijen indirgenmesini sağladığını ve istenmeyen hidrojen peroksit oluşumunu sınırladığını buldu.

Härk, "Küçük açılı saçılma bize adeta karınca yuvasının hassas bir haritasını sunarken, katalizörün elektrokimyasal davranışı da bize 'karıncaların', yani moleküllerin içinde nasıl hareket ettiğini gösteriyor" dedi.

Kaynak: IE