Hidrojen Ekonomisi İçin Katalizörler

Yeşil hidrojen, geleceğin iklim dostu enerji sisteminde bir enerji depolama ortamı olarak önemli bir rol oynamaktadır. Hidrojenin kullanılabilmesi için verimli bir şekilde depolanması, taşınması ve gerektiğinde serbest bırakılması gerekmektedir. Buradaki temel zorluk, oldukça uçucu olan bu gazın mümkün olduğunca kolay kullanılmasını sağlamaktır. Amonyak, metanol, formik asit ve ilgili moleküller gibi taşıyıcı maddeler potansiyel çözümlerdir. Hidrojeni bu moleküllere bağlamak ve tekrar serbest bırakmak için katalizörlere ihtiyaç vardır: bunlar gerekli reaksiyonları hızlandırır veya en başından itibaren mümkün ve ekonomik olarak uygulanabilir hale getirir.

Homojen ve Heterojen Kataliz: İki İlkenin Sentezi

Jülich-Aachen yaklaşımının yeniliği, iki kataliz dünyasını birleştirmesinde yatmaktadır: homojen ve heterojen kataliz. Homojen kataliz, katalizör ve tepkimeye giren madde, yani reaktan, aynı fazda olduğunda meydana gelir; örneğin hem gaz hem de sıvı. Heterojen katalizde, katalizör katı, reaktan ise gaz veya sıvıdır. Heterojen katalizin avantajları, katalizör ve reaktanın temiz ve kolay bir şekilde ayrılabilmesi ve böylece maliyetlerin düşürülmesidir. Öte yandan, homojen kataliz, katalizör malzemesinin tüm atomları aktif olabileceği için daha aktif ve seçici olma potansiyeline sahiptir. Ayrıca, katalizörün yapısı ve kimyasal ortamı belirli bir reaksiyon için hassas bir şekilde ayarlanabilir. Ancak katı bir ortamda, nanopartikül içindeki atomlar reaktanlarla temas etmedikleri için inaktif kalırlar.

Forschungszentrum Jülich Sürdürülebilir Hidrojen Ekonomisi Enstitüsü - Kimyasal Hidrojen Depolama için Katalitik Malzemeler (INW-2) ve RWTH Aachen Üniversitesi Heterojen Kataliz ve Teknik Kimya Kürsüsü'nden oluşan ekip, normalde öncelikle heterojen katalize odaklanıyor. Hem INW-2 hem de Aachen kürsüsü başkanı olan Prof. Regina Palkovits, "Yeni katalizörle, diğer dünyanın en iyi yönlerini -bizim durumumuzda homojen katalizi- kendimiz için kullanmaya çalıştık," diye açıklıyor.

Son Derece Aktif ve Kolayca Ayrılabilir

Terpiridin burada merkezi bir rol oynuyor; iridyum gibi metal atomlarını güçlü bir şekilde bağlayan bir molekül. Jülich ve Aachen'daki araştırmacılar için, iridyumu çok kararlı bir şekilde bağlayabilen terpiridin yapısını bir polimere entegre etmek çok önemliydi. Polimer, birçok küçük, tekrarlayan yapı taşından oluşan kimyasal bir bileşiktir. Sonuç, katı bir moleküler katalizördür (SMC). Yayının baş yazarı Keanu Birkelbach, "Bu şekilde iridyum, heterojen katalizde olduğu gibi, yani bu durumda terpiridin polimerinin bir bileşeni olarak, reaktandan ayrılabilir," diye açıklıyor. "Aynı zamanda, SMC'deki her iridyum atomu, homojen katalizde olduğu gibi, katalitik olarak aktif bir merkez oluşturur." Daha yüksek aktivite ve daha iyi ayrılabilirliğin bu birleşimi yeni. İridyum daha verimli kullanılabilir ve ayrıca geri kazanılabilir. Yüksek küresel piyasa fiyatı göz önüne alındığında, bu büyük bir tasarruf potansiyeli sunuyor. İridyum şu anda altından yaklaşık %50 daha pahalı.

Sonraki Adımlar: Ölçeklendirme ve Alternatif Malzemeler

Keanu Birkelbach'a göre, atılabilecek sonraki adımlar arasında reaktörün laboratuvar ölçeğinin ötesine genişletilmesi ve pahalı iridyumun daha uygun fiyatlı, katalitik olarak aktif bir metalle değiştirilmesi yer alabilir. Ek hidrojen taşıyıcı moleküller de test edilebilir. Jülich ve Aachen'daki ekip, laboratuvarda formik asitten hidrojeni serbest bırakmak için moleküler olarak tanımlanmış iridyum katalizörünü kullandı.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1186820/new-catalyst-approach-combines-the-best-of-two-worlds.html