Dışarıdan bakıldığında hidrojenli bir araba (FCEV), sadece su buharı çıkaran sessiz bir makinedir. Ancak kaputun altında, mikroskobik düzeyde gerçekleşen şiddetli bir elektrokimyasal savaş vardır. Hidrojen gazının proton ve elektrona ayrışması (elektrik üretimi) kendiliğinden olmaz; bu reaksiyonu başlatacak ve sürdürecek bir "kıvılcıma" ihtiyaç vardır. İşte kimyasal dünyadaki bu kıvılcım, asal metallerin kralı Platin'dir. Yakıt hücreleri, içten yanmalı motorların aksine yakıtı yakmaz; onu katalizörler aracılığıyla elektrokimyasal olarak işler.
Modern araçlarda en sık kullanılan Polimer Elektrolit Membran (PEM) yakıt hücrelerinde sistem şöyle işler:
Anot Tarafı: Hidrojen gazı gelir, katalizöre çarpar ve protonlarına (H+) ayrılır.
Katot Tarafı: Havadaki oksijen gelir, diğer taraftan gelen proton ve elektronlarla birleşerek suya dönüşür. Bu işlemlerin her ikisi de, reaksiyon hızını artırmak için yüzeyde bir katalizöre ihtiyaç duyar.
Kimyada "Sabatier Prensibi" diye bir kural vardır: Bir katalizör, yüzeyine gelen atomları ne çok sıkı tutmalı ne de çok gevşek bırakmalıdır. Platin, hidrojen ve oksijen için bu "tam kararında" dengeyi sağlayan doğadaki en mükemmel elementtir.
Yüksek Aktivite: Hidrojen bağlarını oda sıcaklığında bile saniyenin milyonda biri kadar kısa sürede kırabilir.
Dayanıklılık: Yakıt hücresinin içi oldukça asidik ve korozif bir ortamdır. Platin, bu zorlu koşullarda paslanmadan veya çözünmeden kalabilen nadir metallerdendir.
Dünyadaki platin rezervleri son derece sınırlıdır ve çıkarılması zordur. Bir yakıt hücresi yığınında kullanılan platin miktarı, sistemin toplam maliyetinin yaklaşık %40-50'sini oluşturabilir. Bu durum, hidrojen teknolojisinin seri üretime geçip ucuzlamasının önündeki en büyük bariyerdir. Mühendislerin hedefi bellidir: "Daha az platinle, daha çok enerji üretmek."
A. Nanoparçacık Boyutu ve Karbon Destekler Katalizör sadece yüzeyde iş yapar; parçacığın içindeki atomlar boşa harcanmış demektir. Bu yüzden platin, nanometre boyutunda (saç telinden 50 bin kat ince) parçacıklar haline getirilir. Bu tozlar, elektriği iyi ileten "Karbon Siyahı" (Carbon Black) üzerine serpiştirilir. Böylece maksimum yüzey alanı elde edilir.
B. Platin Alaşımları (Pt-Co, Pt-Ni)
Saf platin kullanmak yerine, platinin Kobalt (Co) veya Nikel (Ni) gibi daha ucuz metallerle alaşımlandırılması popüler bir yöntemdir.
Elektronik Etki: Alaşım yapısı, platinin elektronik özelliklerini değiştirerek oksijen indirgeme reaksiyonunu (ORR) saf platine göre daha da hızlandırır. Hem performans artar hem de pahalı platin kullanımı azalır.
C. Çekirdek-Kabuk (Core-Shell) Yapıları Bu, nanoteknolojinin zirvesidir. Katalizör parçacığının içi (çekirdeği) ucuz bir metalden (örneğin Paladyum veya Bakır), sadece en dıştaki birkaç atomluk katmanı (kabuğu) platinden yapılır. Böylece reaksiyonun gerçekleştiği yüzey %100 platin gibi davranırken, iç kısım maliyetsiz dolgu malzemesi olur.
D. Şekil Kontrollü Nanokristaller Platin atomlarının diziliş şekli (kristal yüzeyi), reaksiyon hızını etkiler. Bilim insanları küresel parçacıklar yerine küp veya oktahedral (sekiz yüzlü) şekilli nanokristaller üreterek katalitik aktiviteyi 10 kata kadar artırmayı başarmıştır.
Araştırmacıların "kutsal kasesi", hiç platin içermeyen katalizörlerdir. Şu anda en umut verici adaylar, Demir-Azot-Karbon (Fe-N-C) yapılarıdır. Bu malzemeler çok ucuzdur ancak henüz platin kadar uzun ömürlü (dayanıklı) değillerdir. Özellikle ticari araçlar ve kamyonlar için platin hala tek güvenilir seçenektir.
Yakıt hücreleri için katalizör geliştirmek, atomlarla satranç oynamak gibidir. Hedef, minimum malzeme ile maksimum elektron akışını sağlamaktır. Nanoteknolojideki "Çekirdek-Kabuk" gibi yenilikler sayesinde, bir otomobil için gereken platin miktarı 80 gramdan 10-15 gram seviyelerine kadar düşmüştür. Bu miktar daha da düştüğünde, hidrojen çağı resmen başlamış olacaktır.
