Kolayca depolanabilen ve taşınabilen bir sıvı olan amonyak (NH3) yakıt hücrelerinde, yarı iletken imalatında, kimyasal işlemlerde ve diğer uygulamalarda kullanılan hidrojen için çekici bir taşıyıcıdır. Bununla birlikte, amonyağın hidrojen ve nitrojene parçalanması tipik olarak yüksek sıcaklıklar gerektirir ve ortaya çıkan gaz karışımının, hidrojenin birçok uygulamada kullanılabilmesi için daha fazla saflaştırmaya tabi tutulması gerekir.
MIT araştırmacıları şimdi, hidrojenin amonyaktan salınmasını teşvik etmek ve aynı zamanda hidrojeni yüksek saflıkta bir akış halinde ayrıştırıp yoğunlaştırmak için bir elektrokimyasal yaklaşım geliştirdiler. Çıkarmayı hızlandırmak için elektriği kullanan stratejileri, amonyak ve diğer hidrojen taşıyıcılarından hidrojeni geri kazanmak için gereken sıcaklığı ve enerjiyi azaltıyor.
Yeni bir çalışmada araştırmacılar, yaklaşımlarının oldukça konsantre, saf hidrojen akımları üretebileceğini gösterdi.
Donner Bilim Profesörü ve Kimya ve Kimya Mühendisliği Profesörü Yogesh Surendranath, “Elektrokimyayı termodinamik olarak yukarı ve kinetik olarak zor dehidrojenasyon reaksiyonlarını yönlendirmek için kullanma yeteneğini gösterdik” diyor. “Bu durumda, hidrojen ekonomisi için olası hidrojen taşıyıcıları olarak önemlerinden dolayı amonyak ve sıvı bir organik molekülün dönüşümünü inceledik. Ancak burada öğrendiğimiz kavramlar prensipte daha fazla tercüme edilebilir ve bunları diğer önemli dehidrojenasyon reaksiyonlarına dönüştürmek için aktif olarak çalışıyoruz.”
Surendranath, bugün Nature dergisinde yayınlanan çalışmanın ilgili yazarıdır. Şu anda Çin’in Shenzhen kentindeki Harbin Teknoloji Enstitüsü’nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan MIT doktora sonrası öğrencisi Rui Zeng, makalenin baş yazarıdır.
Hidrojen ekstraksiyonu
Hidrojen, yarı iletken üretiminde ve kimyasal işlemlerde yaygın olarak kullanılır ve aynı zamanda yanma olmadan elektrik üretmek için hidrojen ve oksijeni kullanan yakıt hücrelerinde bir enerji taşıyıcısıdır. Bununla birlikte, kullanımının genişletilmesi, onu depolamanın ve dağıtmanın pratik yollarını gerektirecektir.
Hidrojen gazının sıkıştırılmadan veya sıvılaştırılmadan verimli bir şekilde taşınması zordur. Bir alternatif, hidrojeni sıvı olan veya kolayca sıvılaştırılabilen bileşiklerde kimyasal olarak depolamak, daha sonra ihtiyaç duyulan yerde ve zamanda serbest bırakmaktır.
Amonyak gelecek vaat eden bir hidrojen taşıyıcısıdır çünkü hali hazırda üretilmekte ve uzun mesafelere taşınmaktadır, ancak amonyaktan hidrojenin geri kazanılması hala bir zorluktur. “Çatlama” olarak bilinen bu işlem, yüksek reaksiyon ve dönüşüm oranlarına ulaşmak için 500 santigrat derecenin üzerinde sıcaklıklar gerektirir. Daha sonra hidrojenin nitrojenden ve reaksiyona girmemiş amonyaktan ayrılması gerekir.
Surendranath, “Aksi durumda olumsuz bir hidrojen giderme reaksiyonu olacak bir reaksiyonu yürütmek için elektrik girdilerini kullanıp kullanamayacağımızı ve aynı zamanda bunu hidrojeni hidrojen taşıyıcısından ayıracak ve böylece çok saf olmasını ve doğrudan bir yakıt hücresinde veya yüksek saflıkta hidrojen akışı gerektiren başka bir uygulamada kullanılabilmesini sağlayacak şekilde yapıp yapamayacağımızı sormak istedik” diyor.
Araştırmacıların yeni tasarımının temel unsuru, paladyum bazlı bir ayırma membranının, erimiş hidroksit elektrolit aracılığıyla hidrojen üreten bir elektrotla birleştirilmesidir. Ayırma membranı, reaksiyon karışımının diğer bileşenlerinin geçişini engellerken hidrojeni seçici olarak taşır.
Yeni düzenek kullanılarak amonyak ilk önce rutenyum ve sezyum içeren bir katalizörle hidrojenden arındırılıyor. Hidrojen daha sonra karşı tarafı erimiş hidroksit elektrolit ile temas halinde olan ayırma membranına ulaşır.
Bu membran boyunca oluşan elektrokimyasal gradyan, hidrojen için etkili bir şekilde bir “vakum” oluşturarak hidrojenin membran boyunca taşınması için güçlü bir itici güç sağlar. Aynı zamanda hidrojeni, hidrojen gazı oluşturmak üzere ikinci bir elektrotta yeniden birleşmeden önce sırasıyla erimiş elektrolit ve dış devre boyunca ayrı ayrı hareket eden protonlara ve elektronlara dönüştürür.
Membran hidrojeni seçici olarak taşıdığı için sistem, ayrı bir aşağı saflaştırma işlemi gerektirmeden konsantre bir hidrojen gazı akışı üretir.
Surendranath, “Bu elektrokimyasal süreci kullanarak, hidrojenin düşük konsantrasyondan yüksek konsantrasyona aktif olarak pompalanmasını gerçekleştirebiliyoruz” diyor.
Hidrojenin sürekli ekstraksiyonu, özellikle hidrojenin varlığı reaksiyonu inhibe ettiğinde, dehidrojenasyon reaksiyonunun desteklenmesine de yardımcı olabilir. Bu şekilde, bu strateji ürünü ayırmaktan daha fazlasını yapar: reaksiyon ortamını değiştirir ve daha yumuşak koşullar altında hidrojenin geri kazanılmasına olanak tanır.
Dolayısıyla bu işlem, geleneksel amonyak parçalaması için gerekli olandan çok daha düşük olan 200 veya 300 santigrat derece civarındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Diğer bir avantaj ise daha sonra saflaştırılması gerekmeyen saf bir hidrojen akışı yaratmasıdır; bu, ek enerji gerektiren bir adımdır.
British Columbia Üniversitesi’nde kimya ve kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü Curtis Berlinguette, yöntemi amonyak ve diğer hidrojen taşıyıcılarından saf bir hidrojen akışı elde etme problemini çözmenin “güçlü yeni bir yolu” olarak tanımladı.
Araştırmada yer almayan kim, “Hidrojeni serbest bırakılırken zar boyunca çekmek için elektrik kullanarak, amonyak ve sıvı organik hidrojen taşıyıcılarının dehidrojenasyonunu hızlandırarak aynı anda saflaştırılmış bir hidrojen akışı üretirler. Bu, enerji bilimi için önemli bir ilerlemedir çünkü hidrojenin kararlı kimyasal taşıyıcılarda taşınması ve ihtiyaç duyulan yerde ve zamanda serbest bırakılması için güvenilir bir yol açar” diyor.
Taşıma temini
Bu çalışmada araştırmacılar, bu yaklaşımın sadece amonyağı değil aynı zamanda metilsikloheksanı dehidrojene etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Bu molekül, aynı zamanda bir enerji taşıyıcısı olma potansiyeline de sahip olan, sıvı organik hidrojen taşıyıcıları (LOHC’ler) olarak bilinen bir sınıfın parçasıdır.
Araştırmacılar, yeni stratejilerinin arabalara, otobüslere veya gemilere güç sağlamak gibi ulaşım uygulamaları veya yarı iletken veya elektronik üretimi için yararlı olabileceğini öngörüyor. Saf hidrojen gazı, yarı iletken üretiminde birkaç aşamada kullanılır; burada üretim veriminin arttırılmasında ve yüzey kusurlarının azaltılmasında önemli bir rol oynar.
Paladyum pahalı bir metal olduğu için araştırmacılar artık ayırma membranı için gereken paladyum miktarını azaltmanın yolları üzerinde çalışıyor. Ayrıca süreci büyütmek ve bunu endüstriyel olarak yararlı olabilecek diğer dehidrojenasyon reaksiyonlarına uygulamak için de çalışıyorlar.
Araştırma ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi.