Kimyasal Yakıt Üretmek için Su Ayrışmasından Yararlanıldı
Fotoğraf: (Sol) Güneş ışığı altında, su ayrışması için kullanılması beklenen bir elektrot malzemesi olan bizmut vanadat (BiVO4), suyu hidrojen ve oksijen gazına ayırmak için elektron-delik çiftleri (yük taşıyıcıları) üretir. Bilim insanları, bizmut vanadatı lityum (Li) ile birleştirerek, malzemenin elektriksel iletkenliğini ve su oksidasyon aktivitesini artırdı. Oksijen gazı üreten su oksidasyonu, su ayrışmasının iki reaksiyonundan biridir; ikinci reaksiyon ise bir yakıt olan hidrojen gazı üretir. Şekilde, (sağda) Li-katkılı BiVO4‘ün atomik modeli, kafes içinde bir boşluk kaplayan bir Li atomunu (yeşil) gösterilmektedir.
Güneş, elektrik elde etmek için yararlanabileceğimiz yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Bununla birlikte, geceleri veya gökyüzünün bulutlu olduğu zamanlarda sürekli bir enerji tedariki olmadığı için bu gibi koşullarda kullanılmak üzere güneş enerjisinin depolanması gerekmektedir.
Bunu yapmanın bir yolu, güneş enerjisinin yakıt üreten kimyasal reaksiyonlara enerji sağlamak için kullanılmasıdır. Örneğin güneş enerjisi, su ayrışması yoluyla enerji yoğun ve temiz yanan bir yakıt olan hidrojene dönüştürülebilir. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için, ışığı absorbe eden yarı iletken malzemelerden yapılmış iki elektrot bağlanır ve suya batırılır. Bunun sonucunda elektrotlara çarpan güneş ışığı, bir elektrik akımı yaratır ve yaratılan bu elektrik akım suyu oksijen ve hidrojen olmak üzere iki bileşenine ayırır.
ABD Enerji Bakanlığı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda çalışmalarını yürüten bilim insanı Mingzhao Liui “Çeşitli dalga boylarında ışığı absorbe edebilen ve suyun oksidasyonunu verimli bir şekilde gerçekleştirebilen, düşük maliyetli, yaygın olarak bulunabilen ve çevre dostu yarı iletkenlere ihtiyacımız var” dedi. “Yarı iletkenler oksijene maruz kaldıklarında kolayca aşınabilir.”
Örneğin, genellikle güneş pillerinde kullanılan bir yarı iletken olan silikon, oksijene maruz kaldığı takdirde hızla aşınır. Buna karşın, titanyum dioksit, yüksek kararlılık ve elektriksel iletkenlik göstermektedir, ancak Titanyum dioksit de yalnızca ultraviyole (UV) ışığı emer ve bu da, Dünya yüzeyinde alınan tüm güneş ışınımlarının yalnızca yüzde altısını oluşturur. Bunun dışında bizmut vanadat da çalışmalar için kullanılabilecek diğer bir yarı iletkendir. Bizmut vanadat, Bizmut, vanadyum ve oksijenden (BVO) yapılmakta olan sarı renkli ve toksik olmayan bir maddedir. BVO, tıpkı titanyum dioksit gibi yüksek kararlığa sahip olmasının yanında titanyum dioksitin aksine görünür ışığı da absorbe edebilir. Ancak, BVO da zayıf bir elektrik iletkenidir ve güneşten hidrojene dönüşüm verimliliğini sınırlar.
Liu, son birkaç yıldır yüksek kaliteli BVO’yu büyütme ve güneş enerjisini kullanarak yaptığı su ayrışması deneylerinin performansını artırma yönünde çalışmalar yapmaktadır. Fakat, BVO iki farklı metal ve oksijenden oluşturulduğu için karmaşık bir malzemedir. Atomların oranları tam olarak bire bir olmadığı takdirde, bazı kusurlar ortaya çıkabilir. Bu kusurlar da, malzemenin gerçek özelliklerini incelemeyi zorlaştırmaktadır.
Liu, yüksek saflık ve kristal yapıya sahip ince BVO filmleri oluşturmak için darbeli lazer biriktirme (PLD) kullanıyor. Bu yöntemde, odaklanmış bir UV lazeri, bir vakum odası içinde istenen temel bileşime sahip bir hedef malzemeyi ısıtır. Lazer darbelerinin enerjisi çok yoğun olduğundan ötürü, bu ısıtma sonucunda hedef malzemenin yüzeyindeki atomlar buharlaşır ve ince bir film oluşturmak üzere bir substrat üzerinde yoğunlaşır.
Liu, bu yöntem sonucu elde edilen kusursuz bir kristal olan BVO filmlerini geliştirmek için bazı çalışmalar yapmakta.
Bu yılın başlarında yayınlanan bir çalışmada, Liu ve CFN’den meslektaşları ve California Üniversitesi’nden kuramcılar, BVO’nun düşük olan elektrik iletkenliğinin nasıl daha iyi hale getirilebileceğini araştırdılar. Bu araştırmayı da darbeli lazer biriktirme yoluyla (PLD), doping olarak bilinen bir süreci uygulayarak, yani BVO’ya küçük miktarlarda başka malzemeler ekleyerek gerçekleştirdiler.
Yapılan elektronik yapı hesaplamaları sonucunda, lityumun deneysel olarak test etmek için ideal bir katkı maddesi olacağını görülmüştür. Lityum, oda sıcaklığında sisteme kolayca bir elektron verebilmesinin yanında, yapısını önemli oranda etkilemeden kafes içindeki boşlukların içine sığacak kadar küçük bir yapıda olabilmektedir.
Ekip, optimum miktarda lityum katkılı BVO ince filmlerini sentezlemesinin ardından, bir dizi elektron ve X ışını tabanlı karakterizasyon çalışması gerçekleştirdi. Bu çalışmalar sonucunda, filmlerin saf olduğu ve lityum katkısının ardından kafes hatalarının meydana gelmediği doğrulanmıştır. Araştırmacılar daha sonra lityum katkılı BVO’nun elektronik taşıma özelliklerini ve fotoelektrokimyasal performansını ölçtü. Bu deneylerin sonucunda, lityum katkısının, saf BVO’ya kıyasla BVO’nun iletkenliğini neredeyse iki katı büyüklüğüne çıkardığı ve su oksidasyon aktivitesini de yüzde 20 artırdığı gözlemlenmiştir.
California Üniversitesi’nde Ping Grubunun baş araştırmacısı Yuan Ping, “Çalışmamızın teorik olarak tahmini ve deneysel doğrulaması, enerji dönüşümü için yeni materyaller oluşturma konusunun önünü açıyor ” dedi.
Yakın zamanda yapılan bir başka çalışmada, Liu ve Chicago Üniversitesi ve Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden meslektaşları, en kararlı durum için, oksijen boşluklarının BVO’nun elektronik yapısı ve taşıma özellikleri üzerindeki etkisini araştırdılar. Liu, kafesteki oksijenin eksik olduğu bölgelerin, oksit malzemelere özgü olduğunu belirtti. Daha sonra araştırmacılar, hesaplama yöntemlerini kullanarak yapısal bir BVO modeli oluşturdu ve bu modeli analitik ve deneysel durumlar için karşılaştırarak doğruladı. Çalışmalarından elde ettikleri sonuçlar, malzemenin içindeki oksijenlerin iletkenliği artırdığını, yüzeydeki boşlukların ise iletkenliği etkilemediğini ve hatta engellediğini göstermiştir.
Liu, “Yüzeydeki oksijen boşlukları daha çok şarj tuzakları gibi davranıyor” dedi. “Yükler oraya gittiğinde, yerleşir ve sıkışır.” dedi.
BVO suya daldırıldığında ve yük transferini artırmak için bir yardımcı katalizörle birlikte çalışırken yüzeydeki oksijen boşluklarının ve bunların hareketsizleştirme eğilimlerinin nasıl etkilendiğinin tespiti için bazı çalışmalara ihtiyaç vardır. Bilim insanları, geçiş metal oksitlerinin etkili bir şekilde yardımcı katalizör olarak kullanılıp kullanılamayacağını araştıracaklar. Ayrıca, güneş enerjisinin suyu ayrıştırmada kullanılmasının, yüzey katmanını sonlandıran atom türüne nasıl bağlı olduğunu keşfedecekler.
Liu, “Her iki çalışmada da, deneyciler ve teorisyenler arasındaki işbirliği başarılı olmamızı sağladı” dedi. “Bu sebeple, BVO hakkındaki bilgi birikimimizi daha da genişletmek ve BVO’nun performansını geliştirmek için yeni mekanizmalar belirlemede bu iş birliklerine devam etmeyi bekliyoruz.”
Kaynak: phys.org
