Katalizör Seçimi Yoluyla Yakıt Hücresi Ömrünün Uzatılması
Fotoğraf : <Solda> Verilen resimde, TiO2‘nin yüksek hidrojen konsantrasyonu koşulları altında TiOOH’ye dönüştüğü, bunun da yüzeyde hidrojen hareketliliğini teşvik ettiği ve sonuç olarak iletkenlik ürettiği hidrojen yayılımı gösterilmektedir.<Sağda> Resim, nispeten düşük hidrojen konsantrasyonu koşulları altında, Pt ve TiO2 arasındaki güçlü etkileşimin Pt’nin TiO2 tarafından kaplanmasına yol açtığını göstermektedir. Kredi: POSTECH
POSTECH’te Profesör Yong-Tae Kim (Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü ve Demir ve Enerji Malzemeleri Teknolojisi Enstitüsü) ve doktora adayı Sang-Hoon You (Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü) liderliğindeki bir araştırma ekibi, hidrojenle çalışan otomobiller için kullanılan yakıt hücrelerinde korozyonu engelleyen seçici bir katalizör geliştirdi.
Ekip, hidrojen oksidasyon reaksiyonunu yakıt hücresindeki hidrojen konsantrasyonuna uyacak şekilde uyarlayarak yakıt hücrelerinin korozyonunu engellemeyi başardı. Araştırma ACS Energy Letters dergisinde yayımlandı.
Yakıt hücreleri, dayanıklılıklarını bozan çok sayıda faktöre karşı hassastır. Bunlardan biri, özellikle otomobillerde rutin olarak çalıştırma ve kapatma olaylarına maruz kalan katot katalizöründeki bozulmadır. Özellikle, otomobiller için tasarlanan yakıt hücreleri, doğası gereği tekrar eden başlatma ve kapatma döngülerine maruz kalır.
Normal araç çalışması sırasında, yakıt hücrelerine yüksek konsantrasyona sahip tutarlı bir hidrojen kaynağı sağlanır, ancak araç kapatıldığında veya çalıştırıldığında hidrojen konsantrasyonu geçici olarak azalır. Sonuç olarak, harici hava yakıt hücrelerindeki hidrojenle karıştığında, anotta istenmeyen bir oksijen indirgeme reaksiyonu tetiklenir ve bu da ani potansiyel sıçramalarına ve katotta karbon korozyonuna yol açar.
Araştırma ekibi, hidrojenle çalışan otomobillerde kullanılan yakıt hücrelerindeki korozyonu etkin bir şekilde durduran, titanyum dioksit (TiO2) üzerine biriktirilmiş platin (Pt) içeren bir katalizör (Pt/TiO2) tasarladı. Bu elektrokatalizörün performansı, titanyum dioksit ve platin arasındaki güçlü etkileşimden ve hidrojen yayılımının, çevresindeki hidrojen konsantrasyonuna yanıt olarak malzemenin yüzey iletkenliğini değiştirme yeteneğinden kaynaklanmaktadır.
Bir araç aniden durduğunda veya çalıştığında, yakıt içindeki hidrojen konsantrasyonu buna bağlı olarak azalır. Hidrojen konsantrasyonundaki bu azalmanın bir sonucu olarak, titanyum dioksit platin üzerinde genleşir ve bu da platinin katalizör yüzeyinin altına gömülmesine neden olur.
Titanyum dioksitin genleşmesi nedeniyle platinin bu şekilde gömülmesi, titanyum dioksitin düşük iletkenliği nedeniyle katalizörü nihayetinde bir yalıtkana dönüştürür. Bu yalıtım etkisi katalizörün elektrik iletme kabiliyetini engeller, böylece katotta ani potansiyel sıçramalarına neden olabilecek istenmeyen bir oksijen azalmasını önler.
Buna karşılık, standart bir araç çalışması sırasında, araç içindeki hidrojen konsantrasyonu yüksek kalır. Bu tür yüksek hidrojen konsantrasyonu koşulları altında, yüksek iletkenliğe sahip platin katalizör yüzeyinde açığa çıkar ve katalizör yüzeyinde hidrojen hareketliliğini teşvik eden titanyum dioksit azalması meydana gelir. Hidrojen yayılımı olarak adlandırılan bu olgu, akım akışını artırır ve hidrojen oksidasyon reaksiyonunu yükseltir.
Araştırma ekibi ayrıca yeni geliştirilen katalizör ile geleneksel katalizörleri karşılaştırmak için bir simülasyon testi gerçekleştirdi. Test sonuçları, Pt/TiO2 katalizörü kullanan yakıt hücrelerinin geleneksel yakıt hücrelerine göre üç kat daha yüksek dayanıklılık sergilediğini göstermiştir. Bu da ekibin, seçici bir oksijen azaltma reaksiyonu ve hidrojen konsantrasyonuna dayalı bir hidrojen oksidasyon reaksiyonu kullanarak yakıt hücrelerinin dayanıklılığını başarıyla artırdığını gösteriyor.
Bu araştırma, hidrojenle çalışan araçların yakıt hücrelerinin karşılaştığı mevcut dayanıklılık zorluklarının aşılmasına katkıda bulunabilirse, Kore’nin hidrojen yakıtlı otomobillerinin yeni nesil ulaşım endüstrisindeki konumunu potansiyel olarak yükseltebilir.
Kaynak : techxplore.com
