Nanomalzemelerde Çığır Açan İlerleme: Hidrojen Üretimi İçin Yüksek Verimli Bir Elektrokatalizör

Hidrojen, fosil yakıtların yerini alabilecek, çevre kirliliğini ve sera etkisini azaltabilecek en umut verici temiz enerjilerden biri olarak kabul ediliyor. Ancak hidrojen üretmek için kullanılan yöntemler genellikle pahalı, verimsiz veya çevreye zararlı olabiliyor. Bu nedenle, suyu elektroliz yoluyla bölmek için düşük maliyetli ve yüksek verimli katalizörler geliştirmek, hidrojen ekonomisinin gelişimi için hayati bir önem taşıyor.

Hong Kong Şehir Üniversitesi’nden (CityU) bir araştırma ekibi, bu zorluğun üstesinden gelmek için nanomalzemelerde çığır açan bir ilerleme elde etti. Ekip, suyun elektrokimyasal olarak ayrıştırılması yoluyla hidrojen üretimini önemli ölçüde artırabilecek yüksek verimli bir elektrokatalizörü başarıyla geliştirdi. Bu keşif, Nature dergisinde yayınlandı.

Elektrokatalitik Su Ayrıştırma

Elektrokatalitik su ayrıştırma, suyu elektrik akımı ile hidrojen ve oksijene ayıran bir yöntemdir. Bu yöntemde, su moleküllerinin parçalanmasını sağlayan katalizörler kullanılır. Katalizörler, reaksiyonun hızını ve verimliliğini artıran maddelerdir.

Elektrokatalitik su ayrıştırma yoluyla hidrojen üretiminin performansını belirleyen en önemli faktörlerden biri, elektrokatalitik hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) sırasında kullanılan katalizörün özellikleridir. HER, suyun hidrojene dönüştüğü reaksiyondur.

HER için en yaygın kullanılan katalizörler soy metallerdir, özellikle platin (Pt). Ancak Pt hem nadir hem de pahalı bir metaldir. Bu nedenle, Pt’nin miktarını azaltmak veya daha ucuz alternatifler bulmak için araştırmacılar farklı katalizör tasarımları deniyorlar.

Nanomalzemelerde Faz Mühendisliği

CityU liderliğindeki araştırmadaki kritik gelişme, geçiş metali dikalkojenit (TMD) nano tabakalarını destek olarak kullanarak yeni katalizörler oluşturmak oldu. TMD nano tabakaları, iki katman arasında geçiş metalleri (Mo, W vb.) içeren ince kristallerdir. TMD nano tabakalarının farklı kristal yapıları veya fazları vardır ve bunlar katalitik aktiviteyi etkiler.

Ekip, birkaç yıldır nanomateryallerin kristal fazını tasarlayarak HER sürecinin performansının nasıl artırılacağını araştırıyor. Geleneksel olmayan kristal fazlara sahip TMD nano tabakaları, katalizör destekleri olarak kullanılmak üzere büyük bir potansiyele sahip olmasına rağmen, bu tür tabakaların HER için yeterince saf bir şekilde üretilmesi kolay olmaktan uzaktır.

Ancak bu araştırmada Profesör Zhang’ın ekibi, yüksek faz saflığı ve kalitesine sahip, alışılmadık fazlı TMD nano tabakalarını hazırlamak için yeni bir yöntem geliştirdi. Ayrıca, TMD nano tabaka destekleri üzerindeki soy metallerin kristal fazına bağlı büyümesini araştırdılar.

Yüksek Verimli Bir Elektrokatalizör

Teknik olarak konuşursak, ekip 2H ve 1T’ adı verilen iki farklı fazlı MoS2 nano tabakalarını sentezledi. 2H fazlı MoS2, Pt nanopartiküllerinin epitaksiyel büyümesini kolaylaştırdı. Epitaksiyel büyüme, bir malzemenin başka bir malzemenin yüzeyine uyumlu bir şekilde yerleşmesi anlamına gelir. 1T’ fazlı MoS2 ise tek atomik olarak dağılmış Pt atomlarını (s-Pt) destekledi. Sentezlenen s-Pt/1T’-MoS2, HER için yüksek verimli bir katalizör görevi görür ve su elektrolizöründe 500 saat çalışabilir; bu da 1T’-TMD nano tabakalarının katalizörler için etkili destek olabileceğini gösterir.

Araştırmaya öncülük eden CityU Nanomalzemeler Bölümü Herman Hu Başkanı Profesör Zhang Hua şunları söyledi: “Bu bulgular, nanomalzemelerde faz mühendisliğinin kapsamını genişleterek, yüksek verimli katalizörlerin tasarımı ve sentezinin önünü açarak, daha temiz enerjilere ve daha sürdürülebilir kalkınmaya katkıda bulunuyor.”

Profesör Zhang’ın işbirlikçileri arasında Londra Imperial College Kimya Bölümü’nden Profesör Anthony RJ Kucernak ve Hong Kong, Çin ana karası, Singapur ve Birleşik Krallık’taki üniversiteler ve araştırma enstitülerinden araştırmacılar yer alıyor.

CityU Kimya Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ilk yazarı Dr. Shi Zhenyu şunları kaydetti: “Bu bulguya dayanarak daha verimli katalizörler geliştireceğiz ve bunların çeşitli katalitik reaksiyonlardaki uygulamalarını araştıracağız.”