Noble Olmayan Katalizörler Uygun Maliyetli Hidrojene Giden Yolu Açıyor

Dünya, fosil yakıtlardan uzaklaşarak küresel ısınma krizini hafifletmeye çalışırken, hidrojen geleceğin ‘yakıtı’ olarak ışık tutuyor.

Bu, su bolluğu, daha yüksek enerji verimi, yalnızca suyun yan ürün olarak ortaya çıkması ve çok az ya da hiç sera gazı (GHG) emisyonu olmaması gibi birçok nedenden kaynaklanmaktadır. Bu özellikler, temiz hidrojenin ulaşım, elektrik üretimi, ısıtma ve çelik, kimyasallar ve çimento gibi endüstriler dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlar.

Hidrojen, toplumumuzu karbon salınımından arındırmada büyük bir potansiyel gösterse de, bugün üretilen H2’nin çoğu hâlâ fosil yakıttan (metan) elde edilmekte ve bu da önemli CO2 emisyonlarına yol açmaktadır. Bu durum, yeşil ve temiz hidrojen üretmek için ölçeklenebilir alternatiflere ihtiyaç olduğunu gösteriyor.

Sonuç olarak, devam eden araştırmalar, hidrojen yakıtını verimli ve çevre dostu yollarla üretmenin yollarını bulmaya odaklanmaktadır.

HER: Yeşil Hidrojen Üretimi için Ümit Verici Bir Yol

Yeşil hidrojen üretiminde önemli ilgi gören umut verici yaklaşımlardan biri su elektrolizidir.

Hidrojen üretimi için su elektrolizinde gerçekleşen temel reaksiyon, elektrokimyanın temel bir süreci olan hidrojen evrim reaksiyonudur (HER).

Su elektrolizi, suyu oksijen (O2) ve hidrojen (H2) gazına ayırmak için elektriği kullanmak anlamına gelir ve büyük ölçekli hidrojen yakıtı üretmek için verimli ve temiz bir yol sunar.

Küçük Ohmik kaybı (elektrik yüklerinin bir ortamda akarken ısı şeklinde kaybettiği potansiyel enerji), yüksek akım yoğunluğu ve düşük gaz geçiş oranı sayesinde, laboratuvar ölçeğindeki HER sürecinin ticari proton değişim membranı (PEM) su elektrolizörüne genişletilmesi, yeşil hidrojene sürdürülebilir bir yol sunar.

PEM elektrolizinde, hidrojen suyu elektrik ve katı bir polimer elektrolit kullanarak ayırmakla üretilir. Bu süreçte, önce su molekülleri hidrojen iyonlarına (protonlar), elektronlara ve oksijene ayrılır. Protonlar, anot ve katodu ayıran proton iletkenli polimer membran üzerinden hareket ederken, elektronlar dış devrede dolaşır.

Anotta, su molekülü oksitlenir ve yalnızca oksijen, proton ve elektron üretir. Katotta ise protonlar ve elektronlar birleşerek hidrojen gazı oluşturur.

Bu yöntem, yakıt hücreleri için hidrojen üretmenin yanı sıra gübre üretimi, petrol rafinasyonu ve petrokimya gibi çeşitli endüstriyel süreçlerde de kullanılmaktadır.

Ancak sorun, güçlü redüktif asidik elektrolit‑katalizör arayüzü gibi zorlu çalışma koşullarından kaynaklanmaktadır. Bu ortam, ticari PEM elektrolizörlerinin yüksek aktiviteyi sürdürmek için nadir ve pahalı olan platin (Pt) katot kullanmasını gerektirir.

Zorlu koşullar, değerli olmayan metallerden yapılan bu tür katotların proton değişim membranı (PEM) elektrolizörleri için uygun olmamasına yol açar.

Teravat ölçeğinde geniş gerçek dünya uygulamaları olan PEM, değerli metalleri değiştirecek ucuz katalizörlere ihtiyaç duyar. PEM ticarileşmesi için uygun olan değerli olmayan metal bazlı katotların araştırması devam etse de, bu hâlâ zorlu bir süreçtir.

Burada, geçiş metal fosfidleri (TMP’ler) HER katalizörleri olarak umut vaat etmektedir, ancak bunların değerli metalleri ikame etmesi hâlâ erken aşamadadır. Bunun başlıca nedeni, zorlu çalışma koşullarındaki toleransın anlaşılmaması ve hidrojen üretim sürecindeki aktif bölge dönüşlerinin izlenememesidir.

Yüzey Yeniden Yapılandırma Stratejisi Uygun Maliyetli Hidrojen Yakıtı Üretiyor

Son zamanlarda, CoP nanopartiküllerinin katot olarak kullanımı, endüstriyel PEM su elektrolizörlerine kolayca entegre edilebileceği ve potansiyel ticari uygulamalarını gösterdiği bildirildi.

Bununla birlikte, HER reaksiyonunu laboratuvar deneyinden büyük ölçekli ticari üretime maliyetleri düşük tutarak ölçeklendirme sorunu, son çalışmanın başardığı bir konudur.

Advanced Energy Materials dergisinde Nisan 2025’te yayımlanan bulgulara göre, Tohoku Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, CoP|F katotunun (F-modifiye CoP) laboratuvar ölçeğinden (0.2 cm²) ticari bir PEM elektrolizöre (38 cm²) genişletilmiş kullanımını gösterdi.

Daha üstün HER performansı ararken, araştırmacılar yüzey yeniden yapılandırma yolunun, HER’i iyileştiren uzun ömürlü değerli olmayan metal bazlı katotlar oluşturabileceğini buldular.

Bu katotlar performanslarını 300 saatten fazla sürdürebilmektedir. Ayrıca, ekip tarafından hesaplanan maliyet, ABD Enerji Bakanlığı’nın 2026 H2 üretim hedefi olan kilogram başına 2,00 $ değerine çok yakındı.

Doğası gereği yavaş ve verimsiz olan HER reaksiyonunu hızlandırmak için ekip TMP’lere yöneldi. Geçiş metal fosfidleri, maliyet etkin ve dayanıklı değerli olmayan bir metaldir. Benzersiz bir elektronik yapıya ve yüksek katalitik aktiviteye sahip bu katalizör, HER verimliliğini artırmaktadır.

Bu amaçla genellikle değerli metaller kullanıldığından, araştırmacılar değerli olmayan metaller hakkında doldurulması gereken bir bilgi boşluğu olduğunu düşünüyor.

Değerli olmayan metal katalizör, değerli metallere kıyasla maliyet etkin ve bol bulunan alternatif bir malzemeyi ifade eder. Bu katalizörler ayarlanabilir reaktivite sunar; yani farklı katalitik süreçlerde stabilite, seçicilik ve aktiviteyi artırmak için gerektiği gibi modifiye edilebilir.

Bu nedenle ekip, F-modifiye CoP’yi hazırladı ve ardından operando X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS) ve Raman ölçümleriyle yüzey yeniden yapılandırması ve gerçek aktif bölgeler gibi çeşitli özelliklerini değerlendirdi.

Sonuçlar, CoP1‑x kafesine flor eklemenin Co‑P bağlarının kırılmasını teşvik ettiğini ve amorf metalik Co’nun yeniden yapılandırılmasına yol açtığını doğruladı. Yüzeyde fosfor (P) boşluk bölgelerinin oluşması daha fazla aktif bölge yaratır ve bu da HER’i hızlandırır.

Yeniden yapılandırılmış yüzey, redüktif asidik elektrolit‑katalizör arayüzünde yüksek aktivite ve tolerans gösterir. Özellikle, ticari bir PEM elektrolizörde katot olarak kullanıldığında, CoP|F katotunun performansı gelişmiş Pt/C katalizörüyle karşılaştırılabilir ve maliyeti sadece kilogram başına 2,17 $’dır.

“Bu yeniden yapılandırılmış Co yüksek derecede aktiftir, asidik koşullarda çalışır ve 300 saatten fazla yaklaşık 76 W’yi sürdürebilir,” dedi Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR) yardımcı doçent Heng Liu. “Uygun maliyetli bir yakıt üretim yöntemine yaklaşıyoruz,” diye ekledi ve maliyetin 2026 hedefinin sadece 17 cent daha üstünde olduğunu belirtti.

– Liu

Temiz Hidrojen Üretimindeki Gelişmeler

Hidrojen, umut vaat eden temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak ortaya çıktıkça, şu anda odak büyük ölçüde hidrojenin verimli üretimine yönelmiştir; bu, ticari ölçek talebini karşılayabilecek ve elektrikle çalışan su bölme konusuna daha fazla ilgi göstermektedir.

Su elektrolizi iki reaksiyona ayrılabilir: hidrojen evrim reaksiyonu (HER), burada su katotta indirgenerek hidrojen üretir; ve oksijen evrim reaksiyonu (OER), burada su anotta oksitlenerek O2 üretir. Her iki durumda da kataliz, yüksek verimli H2 ve O2 üretimi için son derece etkili katalizörlere ihtiyaç doğurur.

Bu ay, AIMR’den bir başka araştırmada, Tohoku Üniversitesi araştırmacıları, su elektrolizi yoluyla ucuz hidrojen üretimine yönelik potansiyel bir yaklaşım sunan yeni bir katalizör çerçevesi önerdi. Ancak odak burada OER üzerindeydi.

Malzeme, asidik OER için tasarlanmış, atomik olarak dağılmış iridyum (Ir) ile doplanmış mezopor (2–50 nm arası gözenek çapına sahip gözenekli) tek kristalli Co3O4 (kobalt(II, III) oksit) üzerine odaklanmaktadır.

OER performansı ile bilinse de, Ir nadir ve pahalıdır. Ayrıca, iridyumu verimli bir şekilde kullanırken stabiliteyi korumak, teknolojinin ölçeklendirilmesinde bir zorluktur. Bu nedenle çalışma, atom seviyesinde verimliliği maksimize eden bir malzeme aracılığıyla bir çözüm sunmaktadır.

Mezopor spinel yapısına sahip bu katalizör, büyük iridyum kümeleri oluşturmadan yüksek Ir yüklemesi (%13,8 wt) sağlayabilir ve Co‑Ir köprü bölgelerinin oluşmasına izin verir. Asidik OER koşullarında bu bölgeler yüksek doğuştan aktivite gösterdi.

Bunu analiz etmek için araştırma, deneysel verileri hesaplamalı modelleme ile birleştirdi; bu, oksijen ara ürünlerinin (O*) Co3O4 yüzeylerini tamamen kapladığını gösteriyor. Bu durum genellikle Co bölgelerini pasifleştirirken, Ir dopingi bu bölgeleri yeniden aktive eder ve aynı zamanda katalizörün yapısal bütünlüğünü artırır.

Bu çalışma, Ir ve Co kayıplarını sırasıyla yaklaşık dörtte bir ve beşte bir oranına düşürdü. Ayrıca, katalizör 100 saatten fazla performansını korudu.

“Mezopor mimari kritik bir rol oynar. Tek atomluk Ir yüklemesi için alan sağlar ve katalitik aktivite için stabil bir ortam oluşturulmasına yardımcı olur.”

– Çalışma lideri Profesör Hao Li

Gelecek çalışmanın odak noktası, dopingi seviyesini ayarlamak, süreci ölçeklendirmek ve ardından ticari elektrolizör sistemlerine entegre etmektir.

Ekonomik bir iridyum katalizörü inceleyen bir başka çalışma, Proton Değişim Membranı Su Elektrolizi (PEM‑WE) kullanarak dünya çapındaki taşıma hidrojen talebini karşılamak için iridyum bazlı anot malzemelerinin 0,05 mgIr/cm²’den daha az olması gerektiğini gösterdi. Ancak, piyasada mevcut en iyi katalizörler, iridyum oksitinden üretilen, bu değerin yaklaşık 40 katını içeriyor.

İyi haber, bunun çözümlerinin zaten geliştiriliyor olması. Heraeus Group’un Kopernikus P2X projesi, nanoskobik titanyum dioksit (TiO₂) taşıyıcı üzerinde ince bir iridyum oksit (IrO2) katmanı içeren yeni, verimli bir iridyum bazlı nanokatalizör oluşturuyor.

P2X katalizörü, uzun vadeli çalışmalarda bile olağanüstü stabilite gösterir ve daha kristalin benchmark’tan daha iyi performans sergiler.

Hidrojen üretimini maliyet etkin, ölçeklenebilir ve çevre dostu hâle getirmek için çeşitli teknikler üzerinde çalışmanın yanı sıra, dünya çapındaki araştırmacılar onu verimli bir şekilde depolamanın yollarını da araştırıyor; bu da temiz hidrojenin gerçek dünyada benimsenmesine yardımcı oluyor.

Bu yılın başlarında, ABD Enerji Bakanlığı’nın desteğiyle bir bilim insanları ekibi, uçucu hidrojeni depolama ve serbest bırakma konusunda yeni bir yöntem gösterdi. Bu, hidrojenin düşük yoğunluğu ve patlayıcı doğası nedeniyle depolama ve taşımanın yüksek maliyeti ve verimsizliği gibi temel zorluklardan birini çözmektedir.

Bilim insanlarının burada yaptığı, hidrojeni kimyasal olarak bağlayabilen lignin bazlı bir jet yakıtı geliştirmekti; bu, stabil bir sıvı formda. Washington State University Profesörü Bin Yang’a göre, bu teknoloji “kolay kullanılabilir sürdürülebilir bir havacılık yakıtında verimli, yüksek yoğunluklu hidrojen depolamayı mümkün kılarak, depolama ve taşıma için basınçlı tanklara ihtiyaç duyulmasını ortadan kaldırabilir.”

Yeni süreç, laboratuvar ortamında geliştirilen deneysel lignin jet yakıtından aromatik karbonlar ve hidrojen üreten kimyasal reaksiyonlar kullandı. Bitkilerde bulunan lignin, doğal bir polimer ve Dünya üzerindeki ikinci en bol malzemedir.

İlerleyen aşamalarda, araştırmacılar reaksiyonları daha verimli ve maliyet etkin hâle getirmek için yapay zeka destekli bir katalizör tasarlayacaklar.

Yenilikçi Şirket

Cummins Inc (CMI )

Küresel güç çözümleri sağlayıcısı Cummins Inc., Motor, Bileşenler, Dağıtım, Güç Sistemleri ve Accelera gibi çeşitli segmentler aracılığıyla faaliyet göstermektedir.

Şirket, sürdürülebilir bir gelecek inşa etmek için hidrojen motor teknolojisini kapsamlı bir şekilde araştırmakta ve kullanmaktadır. Cummins, hidrojen ekonomisine ilk olarak 2019’da hidrojen yakıt hücreleri ve elektrolizör üreticisi Hydrogenics’i satın alarak girdi. O zamandan beri sürekli ilerleme kaydetti.

Bu, 15‑Litre Hidrojen ICE ve 15‑Litre Doğal Gaz Motorlarının lansmanını içerir. Cummins portföyü ayrıca hidrojen depolama çözümleri ve yakıt hücresi teknolojisinin geliştirilmesini kapsar.

Birkaç yıl önce, Accelera Minnesota’da elektrolizör üretimi için operasyonlara başladı; bu, ABD’deki ilk elektrolizör üretim sitesiydi.

“Yeşil hidrojen üretmek için büyük ölçekli elektroliz, ulaşım ve endüstrinin karbon salınımını azaltmasında kilit bir parçadır.”

– O dönemde Accelera Başkanı Amy Davis

Mart 2025’te ise Cummins, Kuzey Amerika Hidrojen Motoru İttifakı (H2EA‑NA)’nın kurucu üyesi oldu; bu girişim, akademi, hükümet ve ulaşım sektöründeki uzmanlar tarafından hidrojen içten yanmalı motorları (H2‑ICE) ve bunların deniz motorları, karayolu ve off‑road araçları ve ekipmanlarındaki uygulamalarını teşvik etmek amacıyla oluşturuldu.

Şirketin piyasa performansına gelince, Cummins hisseleri son iki on yılda güçlü bir yükseliş trendi gösterdi. Bu süreç, ara ara düşüşlerle yatırımcılara alım fırsatı sundu. Bu yılki %16’lık neredeyse düşüş de aynı şekilde değerlendirilebilir.

Yazı itibarıyla, CMI hisseleri $294.16 seviyesinde işlem görmekte ve Cummins’in piyasa değeri $40.38 milyar olarak hesaplanmaktadır. Bu, EPS (TTM) 28.17, P/E (TTM) 10.41 ve ROE (TTM) %41.27 olduğu anlamına gelir. İlginç bir şekilde, Cummins %2.48 temettü getirisi de sunmakta, bu da onu potansiyel olarak çekici bir yatırım fırsatı kılıyor.

Finansal konulara gelince, şirketin “Destination Zero” stratejisini ilerletmede “önemli ilerleme” kaydettiği ve “rekor sonuçlar” elde ettiği 2024 yılında, gelir $34,1 milyar olarak sabit kaldı.

Bu, Kuzey Amerika’da %1 artış gösteren satışların, ağır hizmet kamyonları talebindeki düşüşle dengelenmesi ve uluslararası gelirlerin bir önceki yıla göre %1 azalması sonucunda ortaya çıktı. Bunun bir nedeni, geçen yıl Atmus Filtration Technologies (ATMU )‘nin Cummins’ten ayrılarak tamamen bağımsız bir şirket haline gelmesiydi. Ayrıca, Accelera’nın yeniden yapılandırılması, operasyonları sadeleştirme ve yatırımlara odaklanma kararından kaynaklanan masraflara yol açtı.

Cummins’in 2024 tam yıl net geliri $3,9 milyar, yani seyreltilmiş hisse başına $28,37 oldu; bu, Atmus’un ayrılmasından elde edilen kazanç sayesinde önemli ölçüde arttı.

Bu yıl için Cummins, Kuzey Amerika’da “hafif zayıf” talep beklentisi nedeniyle gelirinin %2 düşüşten %3 artışa kadar bir aralıkta olacağını öngörüyor. Yine de şirket, operasyon nakit akışının %50’sini hissedarlara geri döndürme uzun vadeli stratejik hedefine bağlı kalma taahhüdünü paylaştı.

2024’te Cummins, 15. yıl üst üste ortak hisse nakit temettüsünü artırarak, temettüler aracılığıyla hissedarlara $969 milyon geri döndürdü.

Şirketin geçen yıl yaptığı diğer gelişmeler arasında, B, X10 ve X15 serisi motor portföylerinde uygulanan Cummins HELM (Daha Yüksek Verim, Daha Düşük Emisyon ve Çoklu Yakıtlar) motor platformunun tanıtılması ve Japon otomotiv üreticisi Isuzu’nun yeni orta ölçekli kamyon serisi için özel bir motorun lansmanı yer alıyor.

Ayrıca, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses ve PACCAR (PCAR ), ABD’de batarya hücresi üretimini ve tedarik zincirini yerelleştirmek amacıyla Amplify Cell Technologies adlı ortak girişimi kurdu. Amplify, 21 GWh kapasiteye sahip bir fabrika inşasını başlattı ve üretime 2027’de başlamayı hedefliyor.

Cummins Inc. ile En Son Gelişmeler

Sonuç

Fosil yakıtlara umut vadeden bir alternatif, temiz hidrojendir. Küresel karbon azaltma stratejisinin kritik bir bileşeni olan temiz hidrojen, yüksek enerji yoğunluğu, kirletici olmayan yan ürünler ve çeşitli sektörlerdeki çok yönlülüğü sayesinde, hidrojeni maliyet etkin üretim yöntemleriyle geliştirmek hayati öneme sahiptir.

PEM elektrolizi, dünyanın enerji geçiş çabalarını ilerletebilecek bir yaklaşımdır. Burada, Tohoku Üniversitesi araştırmacıları, pahalı platin katalizörlerini yüzey‑mühendisliğiyle tasarlanmış değerli olmayan metal alternatifleriyle değiştirerek temiz hidrojenin ticari olarak uygulanabilir hâle gelmesinde önemli bir adım attılar.

Maliyet faydaları ABD DOE’nun maliyet hedefine yakın ve CoP|F katotunun gerçek dünya PEM elektrolizörlerinde ölçeklendirilmesi, temiz hidrojeni küresel enerji ihtiyacına yönelik kitle pazar çözümü olarak ortaya çıkarabileceğimizi gösteriyor!

Geleceğin hâlâ yakıtı olabilecek hidrojenin nedenlerini öğrenmek için buraya tıklayın.

Referans Alınan Çalışmalar:

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Yüzey yeniden yapılandırması, proton değişim membranı su elektrolizörü için değerli olmayan metal katodu etkinleştiriyor. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846