Hidrojen İşleme İçin Malzemeler Yakından İnceleniyor

Hidrojen, sürdürülebilir bir enerji taşıyıcısıdır. Yenilenebilir enerji ile üretilen 'yeşil' hidrojen, enerji depolama ve yakıt olarak kullanılabilir. Üretimini ve kullanımını daha verimli, uzun ömürlü ve ekonomik hale getirmek için yeni malzemelere ihtiyaç var. Yakıt hücreleri ve elektrolizörlerde kullanılan membranlar, bu cihazların ne kadar etkili çalıştığında önemli rol oynar. Bu tür membranlar sıklıkla özel seramikten üretilir.

Seramik membranlardaki hidrojen iyonlarının – protonların – davranışının malzeme yapısıyla ilişkisi tam olarak anlaşılmamıştır. İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNF) tarafından finanse edilen bir projede, Yüksek Performanslı Seramik Laboratuvarında grup lideri Artur Braun liderliğindeki Empa araştırmacıları, uluslararası araştırma ortakları ile bu sorunun peşine düşüyor.

Braun ve ekibi, 20 yıldır seramik proton iletkenleri üzerine çalışıyor. İyi bir proton iletkeni, iki temel gereksinimi karşılamalı: Mümkün olduğunca çok proton almalı ve protonlar malzeme içinde mümkün olduğunca serbest hareket edebilmeli. Ancak bu iki özellik birbiriyle çelişir: Biri optimize edilince diğeri genellikle kötüleşir.

Braun, seramik membranı sokaklarla örülü bir araziye benzetiyor. Protonlar, bu yollarda arabalar gibi hareket eder. Yollarda ne kadar çok araba olursa trafik o kadar tıkanır. Mevcut proton membranlarını zorlu bir araziye benzeterek, protonların dar yollardan zorlukla geçtiğini belirtiyor.

Ancak malum peyzajlarımızdan farklı olarak, seramik membranlardaki kristal kafes yapıları dinamik, yani değişkendir. Braun'un ekibi, iyi iletken seramiklerde proton iletkenliğinin daima aynı kalmadığını, bazen düşerken bazen zirveye ulaştığını gösterdi. Protonlar, kısa süreliğine de olsa, serbest bir şekilde hareket edebiliyor. Empa ekibi, proton taşınmasının kristal kafes titreşimleriyle sıkı sıkıya bağlantılı olduğunu ve kafeste yer alan protonların bu titreşimleri değiştirebildiğini de kanıtladı.

Bu etkiyi daha iyi anlamak için araştırmacılar, şu anki projede iyi bir proton iletkeni yerine zayıf bir iletken inceleyecekler. Lanthan-Cer-Oksit (LCO) birçok proton alabilir ancak onları iletemez. Braun, LCO için bir trafik felaketine benzetme yapıyor.

Bu dezavantaj, araştırmacılara malzeme yapısının proton iletkenliğine etkilerini inceleme fırsatı sunuyor. Paul Scherrer Enstitüsü'ndeki (PSI) nötronlarla yüksek çözünürlüklü kristalografik yapı analizi yanı sıra ABD ve Japonya'daki büyük araştırma tesislerinde yeni yöntemler kullanarak kristal kafeslerin titreşimlerini hassas bir şekilde ölçmek ve teorik modelleri deneysel olarak doğrulamayı hedefliyorlar. Fizikçi, “Proton iletkenliğinin bilimsel temellerini tam olarak anladığımızda, gelecekteki seramiklerin daha iyi proton iletkenlerine nasıl dönüştürüleceğini ve yakıt hücreleri ve elektrolizörler için daha verimli membranlar sağlayacağını söyleyebiliriz.”

İletişim:
Dr. Artur Braun
Yüksek Performanslı Seramik
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch

Editör notu: Görsel hakları ilgili yayıncıya aittir.