Hidrojen, yanma ürünü olarak sadece su üreten, nihai temiz enerji kaynağı olarak kabul edilir. Bu potansiyeli gerçeğe dönüştürmek için hidrojenin verimli ve düşük maliyetli üretilmesi şarttır. Hidrojenin en temiz üretim yollarından biri su elektrolizidir. Bu süreçte, su molekülleri elektrik enerjisi kullanılarak hidrojen gazı (H2) ve oksijen gazına (O2) ayrılır. Bu ayrışmanın gerçekleştiği katot yüzeyindeki reaksiyon, Hidrojen Gelişim Reaksiyonu (Hydrogen Evolution Reaction - HER) olarak adlandırılır.
HER'in verimliliği, kullanılan elektrokatalizörün kalitesine bağlıdır. Geleneksel olarak Platin (Pt) en iyi katalizör olsa da, maliyeti ve kıtlığı alternatif arayışlarını zorunlu kılmıştır. İşte bu noktada Lantan (Lanthanum - La) katkılı malzemeler sahneye çıkıyor.
Lantan, nadir toprak elementleri grubunun ilk üyesidir. Lantan katkısının, HER elektrokatalizörlerinin performansını artırmasının temel nedeni, genellikle destek malzemesinin yapısını ve aktif metalin elektronik durumunu değiştirmesidir.
Lantan Oksit (La2O3) veya Lantan katılmış bileşikler, destek malzemesinin (örneğin nikel, kobalt veya demir bazlı bileşikler) kristal yapısına entegre olduğunda, yapısal kusurlar (defect) oluşturur. Bu kusurlar, katalitik reaksiyonun gerçekleştiği aktif merkez sayısını artırır.
Lantan, destek malzemesi ile aktif metal nanoparçacıkları arasındaki elektron transferini etkiler. Bu, aktif metalin yüzeyindeki elektron enerjisi seviyesini (D-band merkezi) optimize eder. İdeal bir D-band merkezi, hidrojen atomunun (H*) katalizör yüzeyine bağlanma gücünü (bağlanma serbest enerjisi) mükemmel bir seviyeye getirir:
Çok zayıf bağlanma: Hidrojen atomu yüzeye bağlanamaz, reaksiyon yavaşlar.
Çok güçlü bağlanma: Hidrojen atomu yüzeyden ayrılamaz (desorpsiyon), reaksiyon yavaşlar.
Optimum bağlanma (Volcano Zirvesi): Lantan katkısı, bağlanma gücünü ideal noktaya yaklaştırarak reaksiyon hızını maksimize eder.
Lanthanum katkılı elektrokatalizörlerin HER performansı, standart elektrokimyasal yöntemlerle belirlenir:
Bu test, katalizörün aktivitesini ölçmenin temel yoludur. Elektroliz sırasında uygulanan gerilim (potansiyel) ile elde edilen akım yoğunluğu arasındaki ilişkiyi gösterir.
Overpotansiyel (Aşırı Gerilim): Kritik performans göstergesidir. İdeal olarak, sıfır akıma yakın bir yerde, teorik gerilimin üzerinde uygulanan minimum gerilim miktarıdır. Düşük overpotansiyel, katalizörün enerjiyi daha verimli kullandığı ve daha aktif olduğu anlamına gelir. Lantan katkılı sistemlerin amacı, bu değeri Platin'e yaklaştırmaktır.
Polarizasyon eğrisinin doğrusal bölgesinden elde edilen Tafel eğimi, HER reaksiyonunun hız sınırlayıcı adımını (mekanizmasını) ortaya koyar.
Düşük Tafel eğimi, reaksiyonun hızlı ilerlediğini ve Lantan katkısının, hidrojen atomlarının birleşip H2 gazı oluşturma adımını hızlandırdığını gösterir.
Lantan katkısının sadece elektronik değil, aynı zamanda yapısal bir etkisi olup olmadığını anlamak için yapılır. Yüksek ECSA, daha fazla aktif merkez anlamına gelir. Lantan katkısı genellikle yüzey alanını artırarak toplam katalitik performansa pozitif katkı sağlar.
Lanthanum katkılı elektrokatalizörler, Platin bazlı sistemlere maliyet-etkin ve performansı yüksek bir alternatif sunarak temiz hidrojen üretimine önemli bir katkı sağlamaktadır. Lantan, destek malzemesinin hem elektronik hem de yapısal özelliklerini ayarlama yeteneği sayesinde, HER reaksiyonunun kinetiğini hızlandırmakta ve böylece geleceğin hidrojen ekonomisi için güçlü, verimli ve sürdürülebilir bir yol açmaktadır.
