Dünyayı karbondan arındırma yarışında, "Yeşil Hidrojen" en güçlü silahtır. Rüzgar veya güneş enerjisi kullanılarak suyun hidrojen ve oksijene ayrıştırılması işlemi, tamamen emisyonsuz bir enerji döngüsü sunar. Ancak bu sürecin önünde devasa bir ekonomik engel var: Elektrolizörlerin maliyeti. Bu maliyetin büyük bir kısmı, cihazın içinde kullanılan nadir metallerden ve karmaşık polimerlerden kaynaklanıyor. Malzeme bilimciler, şimdi bu engeli aşmak için atomik düzeyde yeni mimariler tasarlıyor.
Elektrolizör, suyu elektrik akımıyla parçalayan bir cihazdır. Temel olarak üç ana bileşenden oluşur:
Anot: Oksijenin üretildiği pozitif kutup.
Katot: Hidrojenin üretildiği negatif kutup.
Elektrolit/Membran: İyonların geçişine izin veren ancak gazların karışmasını engelleyen ortam.
Günümüzde yeşil hidrojen projelerinin çoğu "Proton Değişim Membranı" (PEM) teknolojisini kullanır. PEM, yüksek basınçta çalışabilir ve rüzgar enerjisindeki dalgalanmalara saniyeler içinde uyum sağlar.
Malzeme Sorunu: PEM'in asidik ortamı çok koroziftir (aşındırıcıdır). Bu yüzden anot tarafında dünyadaki en nadir metallerden biri olan İridyum, katot tarafında ise Platin kullanılmak zorundadır.
Çözüm: Araştırmacılar, iridyum kullanımını %90 oranında azaltacak "Core-Shell" (Çekirdek-Kabuk) nanoyapılar üzerinde çalışmaktadır. İçi ucuz bir metal, dışı incecik bir iridyum tabakası olan bu katalizörler, maliyeti düşürmenin anahtarıdır.
"Anyon Değişim Membranı" (AEM) teknolojisi, PEM'in performansını alkalin pillerin ucuzluğuyla birleştirmeyi hedefler.
Malzeme Avantajı: AEM bazik (alkali) bir ortamda çalışır. Bu ortamda çelik, nikel veya demir gibi ucuz ve bol bulunan metaller paslanmaz.
Katalizörler: Platin yerine Nikel-Demir (NiFe) veya Kobalt bazlı katalizörler kullanılabilir. Bu, elektrolizör yığın maliyetini yarı yarıya düşürme potansiyeline sahiptir. Tek engel, henüz PEM kadar uzun ömürlü membranların geliştirilme aşamasında olmasıdır.
Diğerleri oda sıcaklığında veya 80 derecede çalışırken, SOEC teknolojisi 700-800 derecelerde çalışır. Seramik malzemelerden (Zirkonyum Oksit gibi) yapılır.
Verimlilik: Yüksek ısı, su moleküllerini parçalamayı kolaylaştırır, bu da daha az elektrik harcanması demektir. Özellikle çelik fabrikaları gibi "atık ısının" bol olduğu yerler için mükemmeldir. Ancak seramiklerin kırılganlığı ve ısıl şoklara dayanıksızlığı malzeme bilimcilerin çözmeye çalıştığı en büyük bulmacadır.
Sadece katalizörler değil, suyun ve gazın geçtiği "difüzyon tabakaları" da kritiktir. Genellikle titanyum keçe veya sinterlenmiş tozlar kullanılır.
İnovasyon: 3D baskı teknolojisiyle üretilen yeni nesil titanyum plakalar, suyun katalizör yüzeyine daha hızlı ulaşmasını ve oluşan hidrojen kabarcıklarının yüzeye yapışmadan hızla uzaklaşmasını sağlar. Bu, verimliliği doğrudan artırır.
Yeşil hidrojenin "lüks" bir enerji kaynağından, "standart" bir yakıta dönüşmesi, elektrolizörlerin ucuzlamasına bağlıdır. İridyumdan vazgeçip nikele, platinden vazgeçip karbon nanoyapılara geçiş süreci, malzeme biliminin önümüzdeki 10 yıldaki en büyük başarı hikayesi olacaktır. Hidrojen çağı, laboratuvarlardaki mikroskoplarda şekilleniyor.
