Elektrik Üretiminde Biyolojik Tasarım
Yakıt hücreleri, uzun zamandır gelecek vaat eden güç kaynağı olarak görülmektedir. 1830’larda keşfedilen bu cihazlar, hidrojen ve oksijen gibi kimyasallardan doğrudan elektrik üretirler ve emisyon olarak sadece su buharı yaymaktadır. Ancak, pek çok yakıt hücresi, çok pahalı, verimsiz ya da her ikisi özelliğe de sahiptir.
Biyolojiden ilham alan ve 3 Ekim 2018’de Joule dergisinde yayımlanan yeni bir yaklaşımda, Wisconsin-Madison Üniversitesi ekibi, daha ucuz malzemeleri ve elektron ve protonlar arasında hareket edebilen bir organik bileşik kullanarak bir yakıt hücresi tasarladı.
Geleneksel bir yakıt hücresinde, hidrojenden gelen elektron ve protonlar bir elektrottan su üretmek için oksijen ile birleştikleri diğer elektrota taşınır. Bu proses, kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştürür. Yeterince kısa bir sürede anlamlı miktarda yük üretebilmek için reaksiyonları hızlandırmak amacıyla kullanılan katalizörlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Şu anda piyasadaki en iyi katalizör platindir, ancak bu katalizör yüksek fiyat etiketi ile birlikte anılmaktadır. Bu durum, yakıt hücrelerini pahalı hale getiriyor ve şu anda Amerika Birleşik Devletleri caddelerinde hidrojen yakıtı ile çalışan sadece birkaç araç olmasının da bir sebebidir.
Kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü Thatcher Root ile birlikte çalışmayı yürüten Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden kimya profesörü Shannon Stahl, eğer büyük miktarlarda kullanılacaksa mevcut yakıt hücrelerinde katalizör olarak daha ucuz metallerin kullanılabileceğini söylüyor. Ayrıca, Shannon Stahl, ‘’ Problem şu ki, elektrot ile katalizör çok fazla etkileşim halinde olduğu zaman malzemenin etkinliği azalıyor.’’ diyor ve ‘’ enerji verimliliği kaybına sebep oluyor.’’ diyerek ekliyor.
Araştırma ekibinin çözümü, daha yüksek miktardaki malzemenin performansını gösteremediği reaktör çevresine daha düşük maliyetli bir metal olan kobalt yerleştirmekti. Ardından araştırma ekibi, proton ve elektronların reaktörden yakıt hücresine ileri geri hareket edebilmesi için bir strateji geliştirdiler.
Bu taşıma için uygun aracın, bir kerede iki elektron ve proton taşıyabilen kinon adı verilen organik bir bileşik olduğu ortaya kondu. Araştırma ekibinin geliştirdiği tasarıma göre, kinon bu parçacıkları yakıt hücresi elektrotunda toplar, düşük maliyetli kobalt katalizörü ile doldurulmuş olan reaktörün çevresine taşır ve ardından daha fazla ‘ parçacık’ toplamak için yakıt hücresine geri döner.
Birçok kinon, sadece birkaç taşıma işleminden sonra katran benzeri bir maddeye dönüşür. Ancak, Stahl’ın laboratuvarında ultra kararlı yapıda bir kinon türevi tasarlandı. Araştırma ekibi, kinon yapısını değiştirerek, bu maddenin bozunmasını yavaşlatmayı başardı. Aslında, biraraya getirilen bileşikler 5000 saate kadar dayanıklıdır. (Daha önceki kinon yapılarına göre ömrü 100 kat daha artmıştır.)
Stahl, ‘’ Geliştirdiğimiz yöntem nihai çözüm olmasa bile, konseptimiz, bu alandaki problemleri çözmek için yeni bir yaklaşımı ortaya koymuştur. ‘’ diyor. Ayrıca Stahl, yeni tasarımın enerji üretiminin, şu anda piyasada mevcut olan hidrojen yakıt hücrelerinde mümkün olanın yaklaşık yüzde 20’sini oluşturduğunu da belirtiyor. Bir diğer taraftan bu sistem, ilgili organik taşıyıcıları kullanan biyoyakıt hücrelerinden yaklaşık 100 kat daha etkilidir.
Stahl ve ekibi için bir sonraki adım, kinon aracılarının performansını arttırmaktır, bu durum kinonlar tarafından elektronların daha etkili bir şekilde taşınmasını sağlarken aynı zamanda, daha fazla güç üretimi de sağlamaktadır. Bu gelişme, araştırma ekibinin tasarımlarının, geleneksel yakıt hücrelerinin performansına daha düşük etiket fiyatı ile birlikte uygun olmasını sağlayacaktır.
Stahl’ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve yayının ortak yazarı Colin Anson, ‘’ Bu projenin nihai hedefi elektrik üretimi için endüstriye karbon içermeyen seçenekler sunmaktır.’’ diyor. ‘’Amaç, endüstrinin neye ihtiyacı olduğunu bulmak ve bu boşlukları dolduran yakıt hücresi üretmektir.’’
Daha ucuz bir alternatif geliştirmedeki bu adım, Amazon ve Home Depot gibi depolarında forklift sürmek için zaten hidrojen yakıt hücrelerini kullanan şirketler için giderek büyük rahatlık haline gelebilir.
Stahl, ‘’ Büyük engellere rağmen, hidrojen ekonomisinin büyüdüğü görülüyor.’’ diyor ve ‘’Bir seferde bir adım.’’ diyerek ekliyor.
Kaynak: phys.org
