Suyu Yakıta Çeviren: Yeşil Hidrojeni Yükseltebilecek Yeni Nanomalzeme

Demir veya nikel oksit parçacıklarıyla uçları kapalı karbon nanolifler, MXene yapraklarının yüzeyinde kimyasal buhar birikimi sırasında büyür. Kaynak: GPAI

Karbon dioksit salınmadan hidrojen üretmek basit görünüyor: suyun içinden elektrik geçirmek, su moleküllerini ayırmak ve yeşil hidrojen üretmek. Zor kısım elektrokatalisttir. En iyileri, kıt ve pahalı olan platin, rutenyum ve iridyum üzerine dayanır. Az miktır demir ve nikel oksidin, kimyasal buhar birikimiyle doğru iskelet üzerine doğru şekilde büyütülen karbon nanoliflere sabitlenmesiyle bu görevi yerine getireip getiremeyeceğini merak ettik. Sonuçlarımız ACS Applied Nano Materials dergisinde yayımlandı.

Günümüzde hidrojenin çoğu fosil yakıtlardan gelir. Kömür gazlaşması ve doğal gazın buharlı reformu, pazarın yaklaşık %96’sını karşılar. Bir kilogram (2,2 pound) gri hidrojen üretmek yaklaşık 10 kilogram (22 pound) karbon dioksit salarken, mavi hidrojen yaklaşık 6 kg (13 pound) salar. Su ayrıştırılarak üretilen yeşil hidrojen bu emisyonlardan kaçınır. Su ayrıştırmasının iki yarı tepkimesi vardır: anottaki oksijen gelişme tepkimesi ve katottaki hidrojen gelişme tepkimesi. İkisinin de pratik gerilimlerde ilerlemesi için bir elektrokataliste ihtiyacı vardır.

İskeletimiz, elektriği verimli ileten boyutsal bir malzeme olan Ti₃C₂Tₓ MXene’dir. MXene yaprakları oksitleşme ve üst üste dizilme eğilimindedir, bu da direnci artırır. Bunu, karbon nanolifleri yaprakların üzerine doğrudan büyüterek çözdük. MXene’yi bir demir veya nikel öncü maddeyle karıştırdık, kuruttuk ve azot atmosferinde 400°C’ye (752°F) kadar ısıttık. Ardından sıcaklığı 720°C’ye (1.328°F) çıkardık ve iki saat boyunca karbon kaynağı olarak asetilen besleyerek kimyasal buhar birikimi gerçekleştirdik ve karbon nanolifleri büyüttük. Metal oksit parçacıkları, her büyüyen lifin ucunda oturur; bu sürece uç büyümesi denir. Bu iki ürüne FeO-CNF@MX ve NiO-CNF@MX adını veriyoruz.

Elektron mikroskobu, her biri bir metal oksit parçacığı ile kaplanan ve MXene yaprakları boyunca büyüyen lifleri gösterdi. X-ışını kırınımı ve Raman spektroskopisi, katmanlı MXene yapısının sentez sırasında korunduğunu gösterdi. X-ışını fotoelektron spektroskopisi, oksit parçacıklarının yapraklara sabitlendiğini doğruladı. Nikel bazlı kompozit, daha grafitik ve daha az kusurlu karbon içeriyordu; Raman kusur oranı 0.40 iken, demir bazlı olanın 0.68 idi.

“Lifleri doğrudan MXene yaprakları üzerinde büyütmek bize iletken bir omurga ve erişilebilir çok sayıda aktif bölge sağladı.”

Her iki malzeme de 1 M potasyum hidroksid içinde test ettik. Liflerin MXene üzerine sabitlenmesi, her katalizörü yalnızca liflere göre geliştirdi. Hidrojen gelişimi için NiO-CNF@MX, 10 mA/cm²’ye ulaşmak üzere 490 mV aşırı potansiyel gerektirdi. FeO-CNF@MX 520 mV gerektirdi. MXene içermeyen lifler sırasıyla 570 ve 550 mV gerektirdi.

Oksijen gelişimi için NiO-CNF@MX 300 milivolt, FeO-CNF@MX ise 360 milivolt gerektirdi. Nikel kompozit, 250 mV gerektiren referans rutenyum oksitten yalnızca 50 milivolt uzaklıkta konumlandı. Yük aktarımı direnci de nikel kompozit için daha düşüktü: 15.5 ohm, demir için 16.5 ohm.

Aynı malzemenin küçük bir prototip elektrolizörün her iki elektroduna konulması sıralamayı değiştirdi. Demir kompozit 10 mA/cm²’ye 2.2 V’ta ulaşırken, nikel kompozit 2.7 V gerektirdi. Demir merkezlerinin, reaktif oksijen ara ürünlerini stabilize ederek tam hücrede oksijen gelişimini hızlandırdığını düşünüyoruz. 24 saatlik bir testte, her iki malzeme için hücre voltajı yalnızca 0.2 ile 0.3 V arasında değişti. Nikel kompozit daha az kaydı: 2.38’den yaklaşık 2.6 V’a karşı, demir için 2.4 ile 2.7 V arası.

Bu katalizörler henüz platinle yarışmıyor; platin, hidrojen gelişimi için 70 mV aşırı potansiyelde 10 mA/cm²’ye ulaştı. Sonuçlarımız, basit ve ölçeklenebilir bir yolun, düşük maliyetli metal oksitleri her iki yarı tepkime için de çalışan katalizörlere dönüştürebileceğini açıkça gösteriyor. Demir kompozit tam hücrede daha yüksek başlangıç aktivitesi gösterirken, nikel kompozit daha dengeli uzun vadeli performans sergiledi.

Bu hikâye, araştırmacıların yayımlanmış makalelerindeki bulguları raporlayabildiği Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog hakkında bilgi ve katılım konusunda bu sayfayı ziyaret edin.

Daha fazla bilgi

Manish Chauhan et al., Bifunctional Electrocatalysis için Demir-Nikel Oksit Nano mimarileriyle Yerinde Yetişen Hiyerarşik Karbon Nanotaşınma−MXene Nanointerface’lerinin Rasyonel Tasarımı, ACS Applied Nano Materials (2026). DOI: 10.1021/acsanm.6c03453

hidrojen
oksidasyon ve indirgenme
2 boyutlu sistemler

Bu hikâyenin ardındaki kim?

BA sanat tarihi, MA malzeme kültürü. Eski müze editörü, paramedik ve organ nakil koordinatörü. 2021’den beri Science X için düzenleme.

Profil →

Matematiksel biyoloji lisansı, yaratıcı yazılama yüksek lisans. Bilim ve dil hakkında benzersiz bakış açılarıyla geniş çapta seyahat etmiş.

Profil →

Shiv Singh, Hindistan’ın Bhopal şehrindeki CSIR–AMPRI’de Bilim İnsanı-D ve Doçent Profesör’dür. Araştırmaları fonksiyonel karbon malzemeler, elektrokataliz, temiz enerji dönüşümü, CO2 kullanımı, hidrojen üretimi ve çevresel arındırma alanlarına odaklanmaktadır. Baş araştırmacı olarak DST ve DBT tarafından finanse edilen projeleri yönetirken, biyo-elektrokimyasal CO2 dönüşümü, mikrobiyal elektrokimyasal sistemler ve su ayrışmasını araştırmakta ve atıktan elde edilen elektrotlar ile elektrokimyasal algılama alanında çalışmalar yapmaktadır.

Resmiyetli dergilerde yayımlamış, patentlere sahip olmuş ve Kimya Topluluğu’nun (Royal Society of Chemistry) bir üyesidir. Birçok uluslararası dergide editörlük görevlerinde bulunan araştırmacı, 2025 yılında Springer Nature Yazar Hizmeti Ödülü’nü aldı. Disiplinlerarası araştırma ve mentorluk yoluyla küresel enerji ve çevresel zorluklar için ölçeklenebilir çözümler geliştirmektedir.

Atıf

:
Suden yakıt: Yeşil hidrojeni yükseltebilecek yeni nanomalzeme (2026, 26 Ekim)
26 Ekim 2026 tarihinde erişildi
https://phys.org/news/2026-10-fuel-nanomaterial-green-hydrogen.html

Bu belge telif hakkı kapsamındadır. Özel çalışma veya araştırma amacıyla yapılan adil kullanış haricinde, içerik yazılı izin olmadan hiçbir şekilde çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgilendirme amaçlı sunulmaktadır.