Yapay Fotosentezle Temiz Hidrojen Yakıtı Elde Etmek

Fotoğraf: Renklendirilmiş elektron mikroskobunda 52.500’e kadar büyütülerek çekilmiş yapay fotosentez cihazının galyum nitrür kulelerinin görüntüsü. Bu nanoyapılar su moleküllerini hidrojen ve oksijene parçalayarak temiz hidrojen yakıtı üretiyor.

Yeni, kararlı bir yapay fotosentez cihazı, hem taze hem de tuzlu suyu parçalamak için güneş ışığından yararlanmadaki verimi iki katına çıkarıyor ve daha sonra yakıt hücrelerinde kullanılabilen hidrojeni üretiyor.

Bu cihaz aynı zamanda karbondioksiti yakıt olarak geri döndürebilecek şekilde yeniden yapılandırılabilir.

Hidrojen, tek emisyonunun su olmasından, en temiz yanan yakıttır. Ancak hidrojen üretimi her zaman çevre dostu değildir. Geleneksel yöntemler doğal gaz veya elektrik gerektiriyor. Doğrudan güneş enerjili su bölünmesi olarak adlandırılan, yeni cihaz sayesinde geliştirilen bu yöntem ise yalnızca su ve güneş ışığı kullanıyor.

Montreal’deki McGill Üniversitesi’nde araştırmayı yöneten ve Michigan Üniversitesi elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Zeitan Mi, ‘‘Eğer güneş enerjisini doğanın fotosentezle yaptığı gibi doğrudan kimyasal yakıt olarak depolayabilirsek yenilenebilir enerjinin temel sorununu çözebiliriz.’’ dedi.

McGill’de elektrik ve bilgisayar mühendisliği alanında doktora öğrencisi olan Faqrul Alam Chowdhury, güneş pilleri ile ilgili problemin, yüksek bir maliyete ve sınırlı bir yaşam süresine sahip olan piller olmadan elektrik depolayamayacak olmaları olduğunu söyledi.

Cihaz, güneş pilleri ve silikon ve galyum nitrür (LED’lerde sıklıkla bulunur) içeren diğer elektronikler gibi yaygın olarak kullanılan malzemelerden yapılmıştır. Sadece güneş ışığı ve deniz suyuyla çalışan endüstriye hazır bir tasarımla cihaz, temiz hidrojen yakıtının büyük ölçekli üretimine yol açıyor.

Önceki doğrudan güneş enerjili su ayırıcılar, taze veya tuzlu sularda yüzde 1’den biraz daha fazla kararlı güneş enerjisi-hidrojen verimliliğine erişmişlerdi. Diğer yaklaşımlar, yüksek verime ulaşmak için yüksek asidik çözeltilerin eklenmesini de içerebilen, titanyum dioksit gibi maliyetli, verimsiz veya kararsız malzemelerin kullanılmasından muzdariptir.

Ancak Mi ve ekibi, yüzde 3’ten fazla güneş-hidrojen verimliliğine ulaştı. Bu istikrarlı verime ulaşmak için ekip, bir elektrik alanı oluşturan nano boyutlu bir galyum nitrür kulesi inşa etti. Galyum nitrür, ışığı veya fotonları, mobil elektronlara ve delikler olarak adlandırılan pozitif yüklü boşluklara dönüştürüyor. Bu serbest yükler, su moleküllerini hidrojen ve oksijene ayırıyor.

“Bu özel olarak tasarlanmış silikon levha fotonlar tarafından vurulduğunda, elektrik alan hidrojen ve oksijen moleküllerinin üretimini verimli bir şekilde sürdürmek için fotojenere elektron ve deliklerin ayrılmasına yardımcı olur” dedi Chowdhury.

Şu anda, çipin silikon desteği, işlevine katkıda bulunmuyor, ancak daha fazlasını yapıyor olabilir. Bir sonraki adım, ışığı yakalamak ve galyum nitrür kulelerine yük taşıyıcılarını akıtmaya yardımcı olmak için silikonun kullanılması olabilir.

Mi, “Her ne kadar yüzde 3 verim düşük gözükse de, bu süreçle ilgili 40 yıllık araştırmanın içeriğine bakıldığında, aslında büyük bir atılım.” dedi. “Doğal fotosentez, nasıl hesapladığınıza bağlı olarak, yaklaşık yüzde 0.6’lık bir verime sahiptir.”

Yüzde 5’lik verimliliğin ticarileştirmenin eşiği olduğunu, ancak ekibinin yüzde 20 veya 30 verimliliği hedeflediğini ekliyor.

Mi, sonuç olarak elde edilen karbonu metanol ve sentez gazı gibi hidrokarbonlara dönüştürmek için oksijeninin karbondioksitini çıkarmaya benzer araştırmalar yürütmektedir. Bu araştırma yolu, bitkilerin yaptığı gibi, atmosferdeki karbondioksiti potansiyel olarak temizleyebilir.

Mi,  “Asıl bu bölüm gerçekten heyecan verici.” dedi.

Cihaz, Nature Communications’da yayınlanan “Desteksiz yüksek verimli genel saf su bölünmesi için bir fotokimyasal diyot yapay fotosentez sistemi” çalışmasında belgelenmiştir.

Kaynak : sciencedaily.com