Ucuz ve Sürdürülebilir Hidrojen: Önceki Güneş Enerjisiyle Çalışan Su Ayırıcı Cihazlardan 10 Kat Daha Verimli Olan Yeni Bir Katalizör

Read Time:2 Minute, 52 Second

Peng Zhou, güneş ışığını su ayırıcı katalizöre yoğunlaştırmak için büyük bir mercek kullanıyor. (Kaynak: Brenda Ahearn/Michigan Mühendislik, İletişim ve Pazarlama)

Michigan Üniversitesi’nde geliştirilen yeni bir tür güneş paneli, suyu hidrojen ve oksijene dönüştürmede %9 verimlilik elde etmiştir ki bu, doğal fotosentezi taklit etmede önemli bir adımdır. Dış mekanda, teknolojide büyük bir sıçramayı temsil ediyor ve türünün güneş enerjisiyle su ayrıştırma deneylerinden yaklaşık 10 kat daha verimlidir.

Ancak büyük fayda, sürdürülebilir hidrojenin maliyetini azaltmasıdır. Bu, tipik olarak cihazın en pahalı parçası olan yarı iletkenin küçültülmesiyle sağlanır. Ekibin kendi kendini iyileştiren yarı iletkeni, 160 güneşe eşdeğer konsantre ışığa dayanmaktadır.

Günümüzde insanlar, hidrojeni -proseseste büyük miktarda fosil enerji kullanarak- fosil yakıt metanından üretmektedir. Bununla birlikte bitkiler, güneş ışığı kullanarak hidrojen atomunu sudan elde etmektedir. İnsanlık karbon emisyonlarını azaltmaya çalışırken, hidrojen hem bağımsız bir yakıt olarak hem de geri dönüştürülmüş karbondioksitten yapılan sürdürülebilir yakıtların bir bileşeni olarak çekicidir. Aynı şekilde, örneğin gübre üretimi gibi birçok kimyasal işlem için de gereklidir.

“Sonunda yapay fotosentez cihazlarının doğal fotosentezden çok daha verimli olacağını düşünüyoruz ki bu da karbon nötrlüğe giden bir yol sağlayacaktır,” demiştir Nature Dergisi’nde yayınlanan çalışmaya öncülük eden, Michigan Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği’nden Profesör Zetian Mi.

Olağanüstü sonuç iki ilerlemeden gelir. Birincisi, ışığı kontrol eden yarı iletkeni yok etmeden güneş ışığını yoğunlaştırma yeteneğidir.

“Yarı iletken boyutunu, yalnızca düşük ışık yoğunluğunda çalışan bazı yarı iletkenlere kıyasla 100 kattan fazla küçülttük”, demiştir çalışmanın ilk yazarı Peng Zhou. “Bizim teknolojimiz ile üretilen hidrojen çok ucuz olabilir.”

İkincisi, güneş spektrumunun yüksek enerjili kısmını suyu ayırmak için, spektrumunun alt kısmını da reaksiyonu teşvik eden ısıyı sağlamak için kullanmaktır. Sihir, kullanıldıkça kendini geliştiren ve bu tür katalizörlerin kimyasal reaksiyonları yürütmek için güneş ışığından yararlandıklarında genellikle yaşadıkları bozulmaya direnen bir yarı iletken katalizör tarafından sağlanır.

Sistem ayrıca yüksek ışık yoğunluklarıyla başa çıkmanın yanı sıra, yüksek sıcaklıklarda da başarı gösterir. Daha yüksek sıcaklıklar, suyun parçalanma sürecini hızlandırır ve ekstra ısı aynı zamanda hidrojen ve oksijenin bağlarını yenilemek ve bir kez daha su oluşturmak yerine ayrı kalmasını teşvik eder. Bunların her ikisi de ekibin daha fazla hidrojen toplamasına yardımcı olur.

Dış mekan deneyi için Zhou, güneş ışığını yalnızca birkaç inç çapındaki deneysel bir panele odaklamak için yaklaşık bir ev penceresi boyutunda bir mercek kurmuştur. Bu panelin içinde, yarı iletken katalizör, ayırdığı hidrojen ve oksijen gazlarıyla köpüren bir su tabakasıyla kaplanmıştır.

İçinde yarı iletken katalizör ve su bulunan panelin yakından görünümü. Hidrojen ve oksijen kabarcıkları meyil yukarı hareket ederek teneke kutuda ayrılır. (Kaynak: Brenda Ahearn/Michigan Mühendislik, İletişim ve Pazarlama)

Katalizör, bir silikon yüzey üzerinde büyütülmüş indiyum galyum nitrür nanoyapılarından yapılmıştır. Bu yarı iletken levha ışığı yakalar, serbest elektronlara ve deliklere -elektronlar ışık tarafından serbest bırakıldığında geride kalan pozitif yüklü boşluklar- dönüştürür. Nanoyapılar, reaksiyonu yönlendirmeye yardımcı olmak için bu elektronları ve delikleri kullanan, milimetrenin 1/2000’i çapında nano ölçekli metal toplarla doludur.

Panelin üzerindeki basit bir yalıtım katmanı, sıcaklığı 75˚C veya 167˚F gibi, reaksiyonu teşvik etmeye yardımcı olacak kadar sıcak ve aynı zamanda yarı iletken katalizörün iyi performans göstermesi için yeterince soğuk olan bir sıcaklıkta tutmaktadır. Daha az güvenilir güneş ışığı ve sıcaklık ile deneyin dış mekan versiyonu, güneşten gelen enerjiyi hidrojen yakıtına dönüştürmede %6,1 verimlilik elde etmiş, iç mekanlarda ise sistem %9 verimlilik elde etmiştir.

Ekibin üstesinden gelmeyi planladığı bir sonraki zorluk, verimliliği daha da artırmak ve doğrudan yakıt hücrelerine beslenebilen ultra yüksek saflıkta hidrojen elde etmektir.

Bu çalışmayla ilgili fikri mülkiyetin bir kısmı, Mi tarafından ortaklaşa kurulan NS Nanotech Inc. ve NX Fuels Inc.’e lisanslanmıştır.