Enerji
Kağıt Fabrikası Atıkları Yeşil Hidrojen İçin Katalizör Oluyor
Kağıt Fabrikası Atıklarından Hidrojen Katalizörleri Üretimi
Yeşil hidrojen üretiminin ekonomimizin temel taşı haline gelmesi için ucuz olması ve fosil yakıtlar veya diğer yapay sıvı yakıtlarla rekabet edebilmesi gerekiyor.
Sürecin ayrıca mümkün olduğunca sürdürülebilir olması gerekiyor, çünkü fosil yakıt kirliliğini başka bir tür kirlilikle değiştirmek karşı üretken olur.
Yatırım ve altyapı eksikliği de bir sorun teşkil etti, bu da Avrupa Hidrojen Omurgası (EHB) gibi mega projelerin çözmesi gereken bir şey.
Ancak hidrojen üretiminin ana problemi katalizörleridir. Uzun bir süre, hidrojen elektrolizi, platin veya paladyum kullanarak pahalı katalizörler üzerine dayanıyordu. Bu metaller çok nadir ve pahalı olduğundan (bunları “Platine Yatırım Yapma – Evrensel Katalizör”de açıkladığımız gibi), hidrojen elektrolizörleri de çok pahalı.
Şanslıyız ki, ortaya çıkan bir dizi alternatif var, örneğin nikel nanorodlar, demir nanoskobik boş küreler, silikon karbür için fotokataliz veya kobalt tungsten oksit.
Çin’deki (Shenyang Agricultural University ve Guangdong University of Technology) araştırmacılar tarafından önerilen daha da sürdürülebilir olabilecek bir seçenek, kağıt üretiminin atık ürünlerini katalizör olarak kullanmayı içerir.
Buluntularını Biochar dergisinde “Lignin türetilen karbon lifleri NiO/Fe3O4 ile yüklenmiş olarak oksijen evrim reaksiyonunu teşvik etmek” başlığı altında yayınladılar.
Özet
Araştırmacılar, kağıt fabrikalarından gelen lignin atıklarını, platin grubu metalleri olmadan yeşil hidrojen üretiminde oksijen evrim reaksiyonunu sürdürebilen, dayanıklı, düşük maliyetli bir karbon katalizörü haline getirdiler.
Hidrojen Üretimi İçin Oksijen Evrimi
Su, oksijen ve hidrojen atomlarından (H2O) oluştuğundan, kullanılabilir hidrojen (H2) üretmek için oksijen atomlarının atmosferik oksijene dönüştürülmesi gerekir.
Bu adım genellikle verimli bir şekilde gerçekleşmesi ve elektrik gücünü boşa harcamaması için mühendislik açısından en zor adımlardan biridir. Ayrıca pahalı katalizörlerin gerekli olduğu yer burasıdır.
Bunun yerine araştırmacılar, odun ve kağıt üretiminin bir yan ürünü olan lignini kullandılar. İşlem, selülozu çıkarmak için odun hamurunu rafine eder ve istenmeyen lignini geride bırakır.
Lignin üretimi yılda 70 milyonun üzerinde tonu buluyor. Şu anda genellikle sadece enerji için yakılıyor ve çok az güç üretiyor, sadece onu bertaraf etmek için.
“Oksijen evrimi, verimli hidrojen üretimine karşı en büyük engellerden biri.
Çalışmamız, kağıt ve biyoyakıt endüstrilerinin düşük değerli bir yan ürünü olan ligninden yapılan bir katalizörün yüksek aktivite ve istisnai dayanıklılık sağlayabileceğini gösteriyor. Bu, büyük ölçekli hidrojen üretimi için daha yeşil ve daha ekonomik bir yol sunuyor.”
— Yanlin Qin, Guangdong University of Technology
Lignini Hidrojen Katalizörü Haline Getirme
Karbon Lifleri olarak Katalizörler
Genel olarak, karbon iskeleler, yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözeneklilik, kimyasal inertlik ve mükemmel elektrik iletkenliği nedeniyle ideal katalizörler olarak kabul edilir.
Ancak diğer malzemeler gibi poliakrilonitril lifleri veya CVD ile yetiştirilen karbon lifleri, yüksek maliyetler, pahalı üretim veya yetersiz kimyasal özellikler nedeniyle sınırlı kullanıma sahiptir.
Araştırmacılar, istenmeyen lignini aldılar ve aromatik zengin yapısı ve karmaşık mikroskobik yapısının, yüksek performanslı gözenekli karbon malzemelerinin üretimi için umut verici bir karbon öncüsü olduğunu fark ettiler.
Lignin’in düzensiz mikro dokusu, ultra ince metal/metal-oksit nanoparçacıklarını sabitleyebilir. Ayrıca, liflerin bağlantılı ağı, elektrik akımının akabileceği açık makro gözenekli kanallar sunar. Son olarak, lignin’in yaşam döngüsü karbon ayak izi üretimi < 0,5 kg CO2 eq kg-1 olarak tahmin ediliyor, bu da şimdiye kadar önerilen diğer karbon temelli malzemelerden 10 kat daha düşük.
Lignin Katalizörleri Üretimi
Lignin, poliakrilonitril (PAN) ve metal öncüller (Ni2+, Fe3+) N,N-dimetilformamid (DMF) içinde birlikte çözündürülerek elektro spinning yoluyla uniform öncü lifleri oluşturmak üzere işlendi.
Daha sonra final lignin türetilen karbon lifleri oluşturmak için metal katalizörleri uniform olarak liflere gömülerek karbonize edildi.
Sonuçta oluşan malzeme, NiO/Fe3O4 nanoparçacıklarının lignin türetilen karbon liflerine sabitlendiğini gösteren iletim elektron mikroskobu altında analiz edildi.
NiO ve Fe3O4 arasında bir nanoscale eklem de gözlemlendi ve elektron transferini kolaylaştırarak oksijen evrim reaksiyonu aktivitesini artırmaya bekleniyor.
İlaveten, X-ışını difraksiyonu (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopi (XPS) ve Raman spektroskopi kullanarak yapılan daha fazla analiz, katalizörün yapısal bileşimini ortaya koydu ve NiO ve Fe3O4 ekleminin oluşumu için en iyi koşulları buldu.
Katalizör Performansının Ölçülmesi
Swipe to scroll →
| Katalizör Tipi | Ana Materyaller | Göreceli Maliyet | Dayanıklılık | Ölçeklenebilirlik |
|---|---|---|---|---|
| Platin Temelli | Pt, Ir | Çok Yüksek | Mükemmel | Sınırlı |
| Nikel Temelli | Nikel alaşımları | Orta | İyi | Yüksek |
| Lignin Türetilen Karbon | Lignin, NiO, Fe3O4 | Düşük | Yüksek (50h+) | Çok Yüksek |
Oksijen evrim reaksiyon aktivitesi daha sonra ölçüldü ve ayrı ayrı NiO ve Fe3O4 materyalleriyle karşılaştırıldı.
Hidrojen üretimi için kimyasal reaksiyonların, her iki metalik katalizörün birlikte bulunduğu durumlarda en güçlü olduğu gösterildi. Ayrıca, katalizörün uzun süreli stabilitesini gösterdi, 50 saatten fazla sürekli çalışmanın katalizöre önemli bir hasar vermediği görüldü.
Bilim adamları daha sonra, tam olarak hangi reaksiyonların meydana geldiğini anlamaya çalışarak, reaksiyonun “adsorpsiyon-evrim mekanizması (AEM) yolu” izlediğini, ardışık elektron absorpsiyonu ve geçici yüklenmiş oksijen, atom ve moleküllerin oluşumuyla kanıtlandı.
Uygulamalar
Çok ucuz lignin, demir ve nispeten ucuz nikel kullanarak, yüksek verimlilikte, düşük maliyetli, uzun ömürlü bir hidrojen katalizörü oluşturmak, iki şeyi aynı anda açığa çıkarıyor:
- Lignin’in değerlendirilmesi, şu anda yakılan, ancak şimdi yeşil enerji katalizörü haline getirilen bir karbon yan ürünü.
- Hydrojen katalizörünün kütle üretimi için bir yol açılması, bu yöntemin ve kullanılan malzemelerin kolayca ölçeklenebilir olması.
Çalışmadaki tüm yöntemler ve malzemelerin kolayca ölçeklenebilir olması, bu hidrojen üretimi için alternatif katalizör materyali olabileceğini, sadece nadir metalleri kullanmayan, aynı zamanda hemen büyük ölçekli hidrojen üretimi için kullanılabilecek bir materyal olabileceğini gösteriyor.
Daha fazla çalışma, değişen nem, sıcaklık, UV ışık gibi gerçek yaşam koşullarında (>1 yıl süreyle sürekli veya düzensiz kullanım) katalizörün çok uzun süreli stabilitesini değerlendirmek için gerekli.
Hidrojen Üretimi İçin Yatırım Yapma
Yatırımcı Özet
Bu đột phá, atık malzemelerin hidrojen üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürebileceğini vurguluyor, bu da Plug Power gibi şirketlerin hidrojen ekonomisine doğru bir dönüşü hızlandırarak, yakıt hücrelerinin benimsenmesini ve altyapı ekonomisini artırıyor.
Plug Power Inc.
(PLUG )
