SLAC-Stanford ekibi hidrojeni doğrudan okyanus sularından elde etti. Çalışmaları, elektrik şebekeleri, arabalar, tekneler ve diğer altyapılar için düşük karbonlu yakıt üretme çabalarına yardımcı olabilecek önemli bir çalışma olarak görülüyor.
Deniz suyunun hidrojen, oksijen, sodyum ve diğer elementlerden oluşan karışımı, onu Dünya’daki yaşam için hayati kılıyor. Ancak aynı karmaşık kimya, temiz enerji kullanımları için hidrojen gazının çıkarılmasını da oldukça zorlaştırıyor.
Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, Oregon Üniversitesi ve Manchester Metropolitan Üniversitesi’ndeki akedemisyenlerle deniz suyunu çift zarlı bir sistem ve elektrikle akıtarak hidrojeni okyanustan çıkarmanın bir yolunu buldular. Yenilikçi tasarımları, büyük miktarlarda zararlı yan ürünler üretmeden hidrojen gazı üretmede başarılı oldu. Joule’de yayınlanan çalışmalarının sonuçları, düşük karbonlu yakıt üretme çabalarını ilerletmeye yardımcı olabilir.
“Bugün birçok sudan hidrojene sistem, tek katmanlı veya tek katmanlı bir zar kullanmaya çalışıyor. Bir SLAC-Stanford ortak enstitüsü olan SUNCAT Arayüz Bilimi ve Kataliz Merkezi’nden yardımcı bilim insanı Adam Nielander, çalışmamız iki katmanı bir araya getirdi. Bu zar mimarileri, deneyimizde deniz suyundaki iyonların hareket etme şeklini kontrol etmemizi sağladı.”
Hidrojen gazı, şu anda yakıt hücreli elektrikli araçları çalıştırmak ve elektrik şebekeleri için haftalar, aylar veya daha uzun süre enerji depolamak için uygun olan uzun süreli bir enerji depolama seçeneği gibi birçok şekilde kullanılan düşük karbonlu bir yakıttır.
Hidrojen gazı elde etmeye yönelik birçok girişim, tatlı veya tuzdan arındırılmış su ile başlar, ancak bu yöntemler pahalı ve yüksek enerji gerektirebilir. Arıtılmış su ile çalışmak daha kolaydır çünkü karışmış daha az malzeme (kimyasal elementler veya moleküller) vardır. Ancak araştırmacılar, suyun arıtılmasının pahalı olduğunu, enerji gerektirdiğini ve cihazlara karmaşıklık kattığını söyledi. Başka bir seçenek olan doğal tatlı su, gezegende daha sınırlı bir kaynak olmasının yanı sıra, modern teknoloji için sorunlu olan bir dizi safsızlık da içeriyor.
Ekip, deniz suyuyla çalışmak için iki kutuplu veya iki katmanlı bir membran sistemi uyguladı ve bunu, istenen bir reaksiyonu çalıştırmak için iyonları veya yüklü elementleri sürmek için elektrik kullanan bir yöntem olan elektroliz kullanarak test etti. SLAC ve Stanford doktora sonrası araştırmacısı Joseph Perryman, tasarımlarına deniz suyu sistemine en zararlı element olan klorürü kontrol ederek başladıklarını söyledi.
Perryman, “Deniz suyunda sudan hidrojene reaksiyona müdahale edebilecek birçok reaktif tür var ve deniz suyunu tuzlu yapan sodyum klorür ana etmenlerden biri. Özellikle, anoda ulaşan ve oksitlenen klorür, bir elektroliz sisteminin ömrünü kısaltabilir ve moleküler klor ve ağartıcı içeren oksidasyon ürünlerinin toksik doğası nedeniyle aslında güvensiz hale gelebilir.”
Deneydeki çift kutuplu zar, hidrojen gazı yapmak için gereken koşullara erişim sağlar ve klorürün reaksiyon merkezine gitmesini azaltır.
Perryman, “Aslında bu klorür reaksiyonunu durdurmanın yollarını ikiye katlıyoruz” dedi.
İdeal bir membran sistemi üç temel işlevi yerine getirir: hidrojen ve oksijen gazlarını deniz suyundan ayırır; diğer deniz suyu iyonlarını kısıtlarken yalnızca faydalı hidrojen ve hidroksit iyonlarının taşınmasına yardımcı olur ve istenmeyen reaksiyonların önlenmesine yardımcı olur. Bu işlevlerin üçünü bir arada olması oldukça zordur ve ekibin araştırması da bu ihtiyaçların üçünü de verimli bir şekilde birleştirebilen sistemleri keşfetmeye yönelik.
Spesifik olarak deneylerinde, pozitif hidrojen iyonları olan protonlar, zar katmanlarından birinden toplanabilecekleri bir yere geçtiler ve negatif yüklü bir elektrot veya katot ile etkileşerek hidrojen gazına dönüştüler. Sistemdeki ikinci zar ise yalnızca klorür gibi negatif iyonlarına geçirgendir.
Stanford mezun kimya mühendisi ve makalenin yazarlarından Daniela Marin, ilave bir geri tepme önleyici olarak, bir zar tabakasının, zara sabitlenmiş negatif yüklü gruplar içerdiğini ve bunun da klorür gibi diğer negatif yüklü iyonların olmaması gereken yerlere gitmesini zorlaştırdığını söyledi. Negatif yüklü zarın, ekibin deneylerinde neredeyse tüm klorür iyonlarını bloke etmede oldukça etkili olduğu kanıtlandı ve sistemleri, ağartıcı ve klor gibi toksik yan ürünler üretmeden çalıştı.
Araştırmacılar, bir deniz suyundan hidrojene zar sistemi tasarlamanın yanı sıra, deniz suyu iyonlarının zarlardan nasıl geçtiğine dair daha iyi bir genel anlayış sağladı. Bu bilgi, bilim adamlarının oksijen gazı üretmek gibi diğer uygulamalar için de daha güçlü zarlar tasarlamasına yardımcı olabilir.
Marin, “Oksijen üretmek için elektroliz tercih edilen bir yöntem. İki kutuplu membran sistemimizde iyon akışını ve dönüşümü anlamak da bu çaba için kritik öneme sahip. Deneyimizde hidrojen üretmenin yanı sıra, oksijen gazı üretmek için çift kutuplu zarın nasıl kullanılacağını da gösterdik.”
Ekip daha sonra elektrotlarını ve zarlarını daha bol bulunan ve kolayca çıkarılabilen malzemelerle inşa ederek iyileştirmeyi planlıyor. Ekip, bu tasarım iyileştirmesinin, elektroliz sisteminin ulaşım sektörü gibi enerji yoğun faaliyetler için hidrojen üretmek için gereken bir boyuta ölçeklenmesini kolaylaştırabileceğini söyledi.
Araştırmacılar ayrıca elektroliz hücrelerini, tesisin yoğun X-ışınlarını kullanarak katalizörlerin ve zarların atomik yapısını inceleyebilecekleri SLAC’ın Stanford Sinkrotron Radyasyon Işık Kaynağına (SSRL) götürmeyi umuyorlar.
SLAC ve Stanford’da profesör ve SUNCAT direktörü Thomas Jaramillo, “Yeşil hidrojen teknolojileri için gelecek parlak. Edindiğimiz temel içgörüler, bu teknolojinin gelişmiş performansı, dayanıklılığı ve ölçeklenebilirliği için gelecekteki yenilikleri bilgilendirmenin anahtarıdır.”
Kaynak: Stanford Üniversitesi
