Daha Verimli Hidrojen Üretimi İçin Yeni Yollar Keşfedildi

Doğru Hidrojen Katalizörünü Bulmak

Hydrojen, teoride, enerjiyi depolamak ve elektrifikasyonu zor uygulamalara güç sağlamak için mükemmel bir yakıt olabilir. Bunun nedeni, birkaç neredeyse ideal özelliğe sahip olmasıdır:

• Yanması sonucunda yan ürün sadece sudur
  • Ve aynı şey, yakıt hücrelerinde elektrik üretiminde kullanıldığında da söylenebilir.
• Çok yüksek sıcaklıklarda yanabilir, bu da onu metalurji, kimyasal süreçler vb. alanlarda doğal gaza iyi bir alternatif yapar.
• Üretimi için sadece suya ihtiyaç duyar.
• Hidrojen kendisi toksik değildir ve kirlilik yaratmaz.

Ancak, hidrojen temelli bir ekonominin yükselişi, hidrojenin maliyet etkin bir şekilde üretilmesindeki zorluklar nedeniyle engellenmiştir. Bunun nedeni, çoğu yeşil hidrojenin (yeşil enerjiden üretilen) şu anda pahalı platin, rutenyum veya iridyum gibi nadir ve pahalı metallerden oluşan katalizörlere dayanan elektroliz yoluyla yapılmasıdır.

Dolayısıyla, daha iyi bir hidrojen üretim yöntemi bulunmadıkça, hidrojenin fosil yakıtların yerini ölçekli olarak almasını görmek olası görünmemektedir.

Şans eseri, bu durum hızla değişiyor. Daha önce bu olasılıklardan birkaçını ele almıştık, özellikle plastik atığı hidrojene dönüştürmek, nikel nanodamları alternatif bir katalizör olarak kullanmak, ya da titan ve nikel hurdaları (swarf) üretiminde metal parça imalatı sırasında ortaya çıkan. Araştırmacılar artık daha yeni seçenekler ekliyor.

İlk olarak, Johannes Gutenberg Üniversitesi (Almanya) ve Darmstadt Teknik Üniversitesi (Almanya), Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü (Almanya), Harbin Teknoloji Enstitüsü (Çin) ve Shandong Üniversitesi (Çin) araştırmacıları tarafından ¹ kendini optimize eden katalizörlerin yaratılması. Bu çalışma Angewandte Chemie dergisinde “Kendini Optimize Eden Kobalt Tungsten Oksit Elektrokatalizörleri Alkalin Ortamda Artırılmış Oksijen Üretimi İçin” başlığıyla yayımlandı.

İkinci buluş, Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi, Avustralya Monash Üniversitesi ve Çin Hong Kong Üniversitesi araştırmacıları tarafından ² atık su çamurunu yeşil hidrojen ve hayvan yemi haline getirme yöntemidir. Bu çalışma Nature Water dergisinde “Güneş enerjili atık su çamuru elektroreformasyonu, biyolojik yönlendirme ile yeşil gıda ve hidrojen ortak üretimi” başlığıyla yayımlandı.

Hidrojen Katalizörlerini Düzeltmek

Tüm hidrojen üreten katalizörlerde tekrarlayan bir sorun, zamanla bozulmalarıdır. Bu, reaktif metallere birikim oluşması ya da metal tabakasının kendisinin yavaşça bozulup her kataliz döngüsünde bileşen kaybetmesi nedeniyle olabilir.

Bu durum özellikle platin grup metallerinin pahalı katalizörleri için sorun yaratır, ancak diğer metal‑bazlı katalizörler için de geçerlidir.

Dolayısıyla, burada tartışılan ilk çalışmanın Alman ve Çinli araştırmacılarının yeni katalizörlerinde kendini optimize eden davranış gözlemlemiş olmaları önemlidir.

“Katalizörümüzün benzersiz yanı, zamanla performansını artırmasıdır; geleneksel katalizörler ya performanslarını sabit bir seviyede tutar ya da dayanıklılıkları yetersiz olduğu için performans kaybeder,”

Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Kobalt-Tungsten Katalizi

Hidrojen Üretim Darboğazını Çözmek

Araştırmacılar, karışık metal olarak formüle edilen 3d‑5d geçiş metal oksitlerine odaklandı.

Bu oksitler, suyun hidrojen ve oksijene ayrıldığı elektroliz sırasında gerçekleşen reaksiyonun yarısı olan oksijen evrimi reaksiyonunu (OER) hem AEM hem de PEM elektrolizör tasarımlarında gerçekleştirebiliyor.

Kaynak: SpectroInlet

 “Su bölünmesinde iki reaksiyon vardır. Hidrojen evrimi reaksiyonu (HER), hidrojen gazı üretirken, oksijen evrimi reaksiyonu (OER) oksijen gazı üretir. OER, tüm reaksiyonun darboğazını temsil eder. Bu yüzden OER yarı‑reaksyonunu teşvik edebilen bir katalizör geliştirmeye çok bağlıyız.”

Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Ancak bu yeni potansiyel katalizörler hâlâ yeterince anlaşılmamış durumda; reaksiyon sırasında atomik seviyede tam olarak ne olduğuna ya da metalin elektrokimyasal formuna dair çok az bilgi var.

Bu anlayış eksikliği, ticari olarak uygulanabilir bir çözüm geliştirmeyi büyük ölçüde engelliyor, çünkü katalizörlerin stabil bir alt tabakaya bağlanabilme yeteneğini de sınırlıyor.

Tek Adımlı Biriktirme Yöntemi

Araştırmacılar, çapı 3–5 µm olan bir bakır oksit (L−CuO) mikro‑çiçek alt tabakasını, 2020 yılında laboratuvarlarında daha önce geliştirilmiş bir yöntemle kullandılar.

Daha sonra kimyasal bir biriktirme yöntemiyle bakır alt tabakasının yüzeyinde bir kobalt‑tungsten alaşımı tabakası oluşturdular.

Kaynak: Angewandte Chemie

Sonraki analizler, X‑ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), zayıflamış toplam yansıma Fourier dönüşümlü kızılötesi (ATR‑FTIR) spektroskopisi ve Raman spektroskopisi ölçümleri kullanılarak malzemenin karmaşık mikroskobik yapısını ortaya koydu.

Ayrıca katalizörün bakır alt tabakasına çok sağlam bir şekilde bağlandığını doğruladı.

“Uygulanabilir ve ölçeklenebilir biriktirme yaklaşımlarının geliştirilmesi, OER ön‑katalizörlerinin seçilmiş umut vaat eden alt tabakalara yüksek mekanik bütünlükle sabitlenmesini sağlayarak teknolojik, ekonomik ve ekolojik açıdan son derece önemlidir.”

Kaynak: Angewandte Chemie

Kendini Optimize Eden Katalizör

Bu son derece detaylı gözlemlerden, bilim insanları kobalt iyonlarının Co₂₊ formundan Co₃₊ formuna geçtiğini keşfettiler. Aynı zamanda tungsten iyonları da W₅₊ formundan W₆₊ formuna kaydı.

Sonuç olarak, zamanla katalizörün elektrokimyasal olarak aktif kısmı tungsten aktif bölgesinden kobalt aktif bölgesine transfer oluyor.

Kaynak: Angewandte Chemie

Katalizör ayrıca yüzey hidrofiliğinde, yani suyu (hidrojen üretiminin yakıtı) çekme yeteneğinde bir değişim gösteriyor; zamanla daha hidrofobik bir hâle geliyor.

“Genel olarak, belirgin şekilde azalmış aşırı potansiyeller ve artmış akım yoğunlukları kaydettik; bu da OER kinematiğinde önemli bir artışa eşlik etti. Tüm bunlar, geleceğin hidrojen üretimi için olumlu haberler.”

Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Bu, geçiş metal oksitlerinin hidrojen üretimi için uygulanabilir katalizörler haline gelmesinde güçlü bir adım olmalı.

Bu sadece bilim insanları ekibinin katalizör için geçerli bir bakır alt tabakası geliştirdiğini göstermekle kalmıyor, aynı zamanda bu katalizörlerin hiper‑stabil olabileceğini ve zamanla performanslarını artırabileceğini de kanıtlıyor.

Ayrıca, kobalt‑tungsten kombinasyonunun şu anda anlaşıldığı kadar iyi anlaşılmayan diğer geçiş metal kombinasyonlarının potansiyelini değerlendirmek için teorik bir çerçeve sunuyor.

Katalizöre İhtiyaç Yok mu?

Şehirlerin Çamuruyla Baş Etmek

Bu arada, hidrojen üretimi şehirlerimizin ürettiği devasa atık akışlarından da gelebilir. Bu, Singapur, Çin ve Avustralya araştırmacılarının keşfettiği bir kavramdır.

Araştırmacılar, atık suyun temizlenmesi sırasında ortaya çıkan toksik bir yan ürün olan atık su çamuruna odaklandı. Bu çamurlar, karmaşık yapıları, bileşimleri ve ağır metaller ve patojenler gibi kirleticileri nedeniyle işlenmesi ve bertaraf edilmesi son derece zordur.

Her yıl dünya çapında 100 milyondan fazla ton atık su çamuru üretilmektedir. Yakma ya da çöp sahasına gönderme gibi yaygın bertaraf yöntemleri zaman alıcı, enerji verimsiz ve çevre kirliliğine yol açmaktadır.

Bunun yerine, aynı anda hayvan yemi ve hidrojen kaynağı haline gelebilir.

Çamuru Kaynaklara Dönüştürmek

Araştırmacılar, çamurları işlemek için 3 adımlı bir süreç geliştirdi.

İlk olarak, çamurları mekanik olarak parçalayarak sıvı hâle getiriyorlar. Ardından organik maddelerden ağır metalleri kimyasal bir işlemle uzaklaştırıyorlar.

Sonra, organik maddeleri değerli ürünlere—asetik asit ve hidrojen gazına—dönüştürmek için elektrokimyasal bir süreç kullanıyorlar; bu işlem özel elektrotlarla gerçekleştiriliyor.

Son olarak, kalan organik içeriği hayvan yemi için uygun tek hücreli proteinlere dönüştüren ışık (siyanobakteri) kullanan bir bakteri kültürü besliyorlar.

İkinci ve üçüncü adımlar, bakteri için doğrudan (bakteri durumunda) ya da elektrokimyasal işlem için güneş panelleri aracılığıyla dolaylı olarak (güneş ışığıyla) besleniyor.

Bu, tüm çamur geri dönüşüm sürecini tamamen karbon‑sız ve aslında karbon negatif hâle getiriyor; çünkü çamurun normal işlenmesinden kaynaklanan karbon emisyonlarını önlüyor ve asetik asit, hidrojen ve hayvan yemi için fosil yakıt temelli diğer kaynakların yerini alıyor.

Hidrojen temiz enerji kaynağı olarak kullanılabilir ve asetik asit gıda ve ilaç endüstrileri için kilit bir bileşendir.

Kaynak: Nature Water

Yüksek Verimlilik

Bu yöntem, atık su çamurundaki organik karbonun %91,4’ünü geri kazanıp organik karbonun %63’ünü tek hücreli proteine dönüştürmeyi başardı.

Bu, geleneksel anaerobik sindirmenin tipik olarak atık su çamurundaki organik maddelerin %50’sini geri kazanıp dönüştürmesinden çok daha yüksektir.

Genel olarak, bu yöntem geleneksel yöntemlere kıyasla karbon emisyonlarını %99,5 ve enerji kullanımını %99,3 azaltıyor.

“Önerdiğimiz yöntemin, atıkları sürdürülebilir bir şekilde yönetmenin uygulanabilirliğini göstermesini ve atık su çamurunun algısını—atık olmaktan temiz enerji ve sürdürülebilir gıda üretimini destekleyen değerli bir kaynak haline getirmesini umuyoruz.”

Dr Zhao Hu, Research fellow at Nanyang Technological University

Bu yüksek verimliliğin yanı sıra, çamuru ağır metallerden arındırarak, bu metalleri (belki daha sonra geri dönüştürmek için?) ve aynı anda faydalı asetik asit, hidrojen ve hayvan yemi üretmektedir.

Bu yeni yöntem, dünyada atık suyun nasıl ele alınacağına dair bir devrimin mümkün olduğunu gösteriyor; ağır metalleri (belki daha sonra geri dönüştürmek için?) ve faydalı asetik asit, hidrojen ve hayvan yemi üretmektedir.

Sonuç

Bir hidrojen ekonomisi muhtemelen çeşitli hidrojen kaynaklarının karmaşık bir ağını içerecek.

Muhtemelen, pahalı nadir metallere ihtiyaç duymayan su elektrolizini hidrojen üretimine dönüştüren gelişmiş katalizörler kullanılacak. Bu, hidrojen maliyetini fosil yakıtlara ve diğer yeşil alternatiflere ekonomik olarak rekabet edebilecek kadar düşürecek.

Bir diğer olası kaynak, tarım, atık su ve diğer insan faaliyetleri tarafından yaratılan milyonlarca tonluk atık ürünleri daha iyi değerlendirmek olacak. Bu atıklar zaten işlenmesi gerektiğinden, kirleticileri (örneğin ağır metalleri) kaldırıp yeni faydalı ürünler yaratacak şekilde işlenmeleri çok daha mantıklı.

Ve bu tamamen güneş enerjisiyle yapılırsa, daha da iyi.

Tungsten Katalizasyon Şirketi

Tungsten, sadece ağır sanayi ve savunma sektöründe kullanılan süper dayanıklı bir metal olarak değil, aynı zamanda kimya endüstrisi ve hidrojen üretimi için güçlü bir katalizör olarak da giderek öne çıkıyor.

Doğru moleküler konfigürasyonda dokunduğunda yüksek sıcaklıkta güçlü bir süperiletken haline gelebilir.

Bu kaynağın teknik ve yatırım incelemesini “Tungsten – Gizli Yüksek Teknoloji Metalı” başlıklı makalede okuyabilirsiniz.

Ayrıca, tedarik zinciri neredeyse tamamen Çin tarafından kontrol edilen bir metal; tek istisna Almonty Industries.

Almonty Industries

Almonty, şu anda büyük ölçüde Portekiz’de bir madenden üretim yapan bir tungsten madencisidir; bu maden 125 yıldır faaliyette.

Şirket, Portekiz madeni genişletmek ve İspanya’da geliştirilmemiş yataklara sahip olmak için çalışıyor.

Kaynak: Almonty

Şirketin en önemli projesi, Güney Kore’de Sangdong’da yeni bir madenin geliştirilmesidir. Bu maden, diğer tüm yatakların toplamından daha fazla tahmini kaynağa sahiptir.

Kaynak: Almonty

Batı ülkelerinde aktif ve üretim yapan tek tungsten madencilerinden biri olarak, Almonty savunma sanayisi için stratejik bir tedarikçi konumundadır. Bu yüzden, Çin tedarikine bağımlılığı azaltmak için önemli bir şirkettir.

Sangdong madeninin konumu, savunma sanayisine mükemmel bir tedarikçi olmasını sağlıyor; Güney Kore, tank, top ve mühimmat gibi “düşük teknoloji” askeri ekipmanların büyük ölçekli üretiminde yeni bir devdir (daha az tungsten talep eden savaş uçakları, uçak gemileri vb. ile karşılaştırıldığında).

Çin, Kazakistan’da dev bir tungsten madeni açmaya hazırlanırken, Almonty, Almonty Korea Tungsten Project’in Sangdong madeni birkaç ay içinde faaliyete geçtiğinde “tungsten teminiyle ilgili politikaları büyük ölçüde değiştirmeye” hazır. Üretime başladığında, dünya çapında en büyük tungsten madenlerinden biri olacak ve Çin dışı tedarikin %30’unu oluşturacak.

Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries

Almonty, Kore madeninden 2025’in ilk yarısında tungsten üretmeye başlamalı.

Batı’da temelde tek büyük tedarikçi konumunda olduğu için, Almonty’ye Plansee tarafından garantili bir fiyat teklif edildi. Plansee, yüksek performanslı metal üreticisi ve Almonty’nin büyük müşterilerinden biri olup şirketin %15 hissesine sahiptir.

Minimum garantili fiyat 235 $/MTU (metrik ton birimi) olarak belirlendi; üst bir sınır yok. Sangdong Madeni, 110 $/mtu nakit maliyet hedeflediği için bu, proje için yüksek kar marjı sağlayacaktır.

Gelecek yıl Sangdong’un açılması ve Trump’un Amerika’sı ile Çin arasındaki yeni ticaret savaşı arasında neredeyse mükemmel bir zamanlama olduğu için, hisse fiyatı Çin’in tungsten ihracatını kısıtlama duyurusunun ardından sadece 2 gün içinde %40 arttı.

Tungsten, yüksek teknoloji uygulamaları ve jeopolitik gerilimler arttıkça daha da önemli hale geldikçe, güvenli, Çin dışı tungsten arzını sağlamak muhtemelen istikrarlı bir prim yaratacak; Almonty de bu durumun en büyük faydalanıcılarından biri olacak.

Çalışma Referansı:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Kendini Optimize Eden Kobalt Tungsten Oksit Elektrokatalizörleri Alkalin Ortamda Artırılmış Oksijen Üretimi İçin. Angewandte Chemie. 05 Şubat 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Güneş enerjili atık su çamuru elektroreformasyonu, biyolojik yönlendirme ile yeşil gıda ve hidrojen ortak üretimi. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}