Oregon State Üniversitesi, güneş ışığını temiz enerjiye dönüştüren yeni bir malzeme ailesi geliştirdi

Oregon State Üniversitesi (OSU) Bilim Fakültesi araştırmacıları, ışığı kullanarak sudan hidrojen üreten ve güneş ışınlarının temiz enerjiye dönüştürülmesi için yeni yöntemlerin kapısını açan bir malzeme ailesi geliştirdi. Kyriakos Stylianou’un liderliğini yaptığı araştırma ekibi, hızlı ve verimli bir hidrojen üretimini mümkün kılan bir fotokatalizör ortaya koydu. Çalışma, sera gazı emisyonları ve iklim değişikliğiyle mücadelede kullanılabilecek potansiyel yeni bir aracı sunduğu için dikkat çekiyor.

Hidrojen, otomobillerde yakıt hücrelerinde, amonyak dahil birçok kimyasalın üretiminde, metal arıtımında ve plastik yapımında yaygın olarak kullanılıyor. Katalizör, kendisi kalıcı bir kimyasal değişime uğramadan bir kimyasal reaksiyonun hızını artıran madde olarak tanımlanıyor. Fotokatalizörler ise ışığı emerek daha yüksek enerji seviyesine çıkıyor ve bu enerjiyi reaksiyonları hızlandırmada kullanabiliyor.

Milyonlarca olası çerçeve yapısı

Araştırmacıların odaklandığı malzemeler, metal-organik çerçeveler (MOF) olarak bilinen kristalin ve gözenekli yapılar. Pozitif yüklü metal iyonlarının organik “bağlayıcı” moleküllerle çevrili olmasıyla oluşan MOF’lar, nanometrik boyutta gözeneklere ve ayarlanabilir yapısal özelliklere sahip. Stylianou’a göre, bu çerçeveler MOF’un özelliklerini belirleyen çeşitli bileşenlerle tasarlanabiliyor ve milyonlarca olası MOF mevcut.

Kimya araştırmacıları tarafından yaklaşık 100.000 MOF sentezlendi ve yarım milyonunun daha özellikleri öngörüldü. Bu çalışmada araştırmacılar, dikkat çeken bir yapısal özelliğe sahip BVR-19 adlı bir MOF üzerinde çalıştı: ışığa maruz kaldığında geçici olarak kırılan ve tepkimeye giren sulfur türleri üreten bir sülfit-sülfit bağı.

Önemli işi organik bileşen yapıyor. Malzememiz, esas olarak metal atomlarına dayanmak yerine, ışık enerjisini yakalayıp elektronları hidrojen üretimi için gerekli yere taşımak için sülfit içeren organik yapı taşlarını kullanıyor. Bu, bu malzemelerin nasıl tasarlanması gerektiğine dair farklı bir düşünce biçimi sunuyor.

Kyriakos Stylianou, OSU Bilim Fakültesi

Stylianou, ek pahalı bir katalizöre ihtiyaç olmadığını, bunun da geleceğin ışık destekli hidrojen sistemlerinin tasarımını basitleştirebileceğini ekledi. BVR-19 aynı zamanda oda sıcaklığında sulu çözeltilerde kendiliğinden oluşuyor ve bu da ona güçlü bir enerji avantajı sağlıyor.

Temiz hidrojenin maliyeti

Katalitik bir süreçle suyu ayrıştırarak hidrojen üretmek, doğal gaza dayanıp karbondioksit üreten metan-buhar arıtımı olarak bilinen geleneksel yöntemden daha temiz. Mevcut katalitik süreçler sudan hidrojen üretirken elektro-kataliz—katalizör üzerinden elektrik akımı geçirmek—kullanıyor. Elektro-katalizin sürdürülebilirliği yenilenebilir enerji kullanmaya bağlı ve rekabetçi olması için bu enerjinin ucuz olması gerekiyor.

Güncel verilere göre metan-buhar arıtımıyla üretilen hidrojenin kilogramı yaklaşık 1,50 dolar maliyetindeyken, yeşil hidrojenin kilogramı yaklaşık 5 dolara denk geliyor. Güncel kurla bu rakamlar sırasıyla kilogram başına 73,5 lira ve 245 lira anlamına geliyor.

Güneş yakıtları için tasarım kuralları

Araştırmacıların odaklandığı malzemeler, metal-organik çerçeveler (MOF) olarak bilinen kristalin ve gözenekli yapılar. Stylianou, çalışmalarının yeşil hidrojenin maliyetini düşürebilecek daha iyi malzemelerin tasarımına bir şablon sağladığını belirtti. OSU’nun MaD Lab olarak bilinen Malzeme Keşif Laboratuvarını yöneten Stylianou, metali değiştirip malzemenin geri kalanını temelde aynı tutarak MOF’un bazı versiyonlarının diğerlerinden neden çok daha iyi çalıştığını açıkladıklarını söyledi.

Bu bulgular, güneş yakıtı üretimi için daha etkili malzemeler yaratmak için yeni tasarım kuralları sağlıyor.

Kyriakos Stylianou, OSU Malzeme Keşif Laboatuarı (MaD Lab)

Araştırma, Journal of the American Chemical Society dergisinde Emmanuel Nyela Musa ve arkadaşları tarafından, “Intraligand Charge Transfer in Metal-Organic Frameworks Facilitates Radical Anion-Mediated Hydrogen Evolution” başlığıyla yayımlandı. Çalışmanın DOI numarası 10.1021/jacs.6c13238 olarak kayıtlı.