Platinum İçermeyen Hidrojen Katalizörü: Temiz Enerji Teknolojisinde Önemli Bir Adım

İklim krizi giderek kötüleşirken, enerji sistemlerini karbonsuzlaştırma ihtiyacı acil bir hal alıyor; bu nedenle temiz enerji geçişi dünya genelinde gerçekleşiyor.

Kömür ve petrol gibi fosil yakıtlardan farklı olarak, temiz enerji kaynakları üretimleri sırasında metan, CO2, azot oksit gibi büyük miktarlarda sera gazı (GHG) ya da diğer kirleticileri salmaz; bu da daha sağlıklı bir çevreye katkı sağlar.

İlginç bir şekilde, temiz enerji yenilenebilir kaynaklardan gelebilir güneş gibi sürekli yenilenen ve gezegenin her yerinde bulunan kaynaklardan, aynı zamanda uranyum gibi sınırlı kaynakları kullanan nükleer enerji gibi yenilenemez kaynaklardan da.

Fosil yakıt muadillerine kıyasla, temiz enerji kaynakları daha düşük bakım ve işletme maliyetlerine sahiptir; bu da tüketiciler için daha istikrarlı fiyatlar sağlar.

Bu bağlamda, temiz enerji sektörü hızlı bir şekilde büyüyor; çevresel etkiyi azaltan ve sürdürülebilirliği teşvik eden temiz teknoloji yatırımları, Deloitte’a göre 2024 üçüncü çeyrekte rekor 71 milyar dolar seviyesine ulaştı.

Şimdi, temiz enerji kaynaklarından bahsederken, işte en öne çıkanlar:

1. Güneş – Güneş ışınımı, fotovoltaik (PV) paneller gibi teknolojilerle doğrudan elektriğe dönüştürülerek kullanılır. 2024’te küresel güneş kapasitesi önemli ölçüde artarak 593 GW’lık yeni güneş PV kapasitesi ekledi. 
2. Rüzgar – Rüzgarın kinetik enerjisi türbinler aracılığıyla elektriğe dönüştürülür. Türbinlerin konumuna bağlı olarak iki tip olabilir: kara rüzgar enerjisi, rüzgar çiftliklerinin karada bulunduğu durum ve deniz rüzgar enerjisi, rüzgar çiftliklerinin denizde bulunduğu durum. 
3. Su – Akışkan suyun kinetik enerjisi, esas olarak barajlar ve türbinler aracılığıyla elektrik üretiminde kullanılır. Hidroelektrik, toplam elektrik üretiminin yaklaşık %15ini oluşturur. 
4. Jeotermal – Bu enerji türü, yerin iç ısısı aracılığıyla elde edilir ve yer altı rezervuarlarında bulunan jeotermal enerji santralleriyle sağlanır.  
5. Biyokütle – Burada, tarım atıkları ve orman kalıntıları gibi organik maddeler kullanılır. 
6. Nükleer  – Atomun enerjisi, nükleer fisyon ve nükleer füzyondan elde edilen güçtür. Deloitte’ın enerji ve hizmetler anketine göre, gelişmiş nükleer teknolojiler önümüzdeki yıllarda artan enerji talebini karşılamada en önemli rolü oynayacak. 
7. Hidrojen – Hidrojen çeşitli kaynaklardan üretilir ve bir yakıt hücresinde tüketildiğinde sadece su üretir. ABD Enerji Bakanlığı (DOE), hidrojen merkezleri geliştirmek için 7 milyar dolar ayırdı. 

Güçlü Bir Temiz Yakıt Olarak Hidrojen

Periyodik tablonun ilk elementi olan hidrojen (H), renksiz, kokusuz, tatsız, yüksek yanıcılığa sahip ve toksik olmayan bir gazdır. Aynı zamanda en basit, en hafif ve en bol bulunan elementtir.

Ancak onu son derece çekici kılan, yanarken sadece su buharı üretmesidir. Özellikle yenilenebilir enerjiyle üretildiğinde, yeşil hidrojen ulaşım ve enerji üretimi gibi sektörlerin karbonsuzlaştırılmasına yardımcı olabilir.

Toplumun artan enerji ihtiyacı arasında, hidrojen çeşitli kaynaklardan potansiyel olarak üretilebilen son derece verimli bir temiz enerji kaynağı sunar. Aslında, diğer kaynaklardan üretilen enerjiyi taşıyan, depolayan ve ileten bir enerji taşıyıcısıdır.

Şimdi, hidrojen yakıtı üretmenin en yaygın yolları şunlardır:

1. Termal Süreç – Buhar reformasyonu adı verilen yüksek sıcaklıklı bir süreçle üretilir; bu süreçte buhar, doğal gaz, dizel, gazlaştırılmış kömür, gazlaştırılmış biyokütle ve yenilenebilir sıvı yakıtlarla reaksiyona girerek hidrojen üretir.
2. Elektroliz Süreci – Su (H2O), bir elektrik akımı kullanılarak oksijen ve hidrojene ayrılır. Bu süreç, suyun içinden elektrik geçerek moleküllerin ayrılmasını sağlayan bir elektrolizörde gerçekleşir.
3. Güneş Enerjili Süreç – Işık, hidrojen üretmek için kullanılır ve fotobiyolojik, fotoelektrokimyasal ve güneş termokimyasal gibi farklı yaklaşımları içerir. 
4. Biyolojik Süreç – Hidrojen, bakteri ve mikroalg gibi mikroorganizmalar kullanılarak biyolojik reaksiyonlarla üretilir.

Şimdi, hidrojenin toplumun temiz enerji ihtiyaçlarını karşılamada çok yüksek bir potansiyeli vardır, ancak hâlâ aşılması gereken zorluklar bulunmaktadır. Bu zorluklar arasında kitlesel üretim, taşıma ve depolama yer alır. Ayrıca, hidrojen üretiminin istikrarlı ve ucuz olması gerekir.

Hidrojen evrim reaksiyonu (HER), en çevre dostu ve sürdürülebilir hidrojen üretim yöntemi olarak kabul edilir. Su elektrolizini içeren bir katodik reaksiyondur.

Su bölünmesinin bu elektrokimyasal sürecinde, platin, nikel ve diğer geçiş metalleri gibi maddeler, protonları hidrojen gazına indirgen bir katalizör olarak kullanılır.

Buradaki sorun, katalizörlerde en yaygın kullanılan metal olan platinle ortaya çıkar; yüksek verimli katalitik performans sunmasına rağmen nadirliği ve maliyeti sorunlardır. Bu nedenle, değerli metallerin tüketimini azaltmak için alternatif katalizörlere yönelik odak artmaktadır.

Hidrojenin Temiz Olmasını Sağlamada Platin’in Rolü

Bazen gümüşle karıştırılan parlak, gümüş beyazı bir metal olan platin (Pt), net sıfır emisyon hedefine ulaşmanın anahtarıdır. Bu yoğun, şekillendirilebilir ve parlak metal, yüksek sıcaklıklarda bile son derece tepkimeye girmez ve korozyona karşı dayanıklıdır.

Bununla birlikte, altından 30 kat daha nadir olan son derece nadir bir metal olup, Dünya kabuğunda sadece 0,005 ppm konsantrasyonda bulunur. Nadir bir metal olduğundan, platin madenciliği zor ve maliyetlidir; bu da daha pahalı bir nihai ürün anlamına gelir.

Metal, ağırlıklı olarak Güney Afrika’da çıkarılır; bu ülke küresel platin arzının %70’inden fazlasını, ayrıca Rusya, Zimbabve, Kanada ve ABD ile birlikte sağlar.

Kullanım alanlarına gelince, platin takı üretiminde kullanılır, ancak en önemlisi elektronik bileşenlerde ve taşıma emisyonlarını azaltmak için katalitik konvertörlerde kullanılır. 2022’de, metalin yaklaşık 85 tonu yalnızca katalitik konvertörler için kullanıldı. Ayrıca, küresel enerji geçişinde kritik bir mineral olarak ortaya çıkmaktadır.

Metal, özellikle çeşitli tiplerdeki elektrolizörlerde çok değerlidir; ancak hidrojen projesi geliştiricileri proton değişim membranı (PEM) elektrolizini tercih eder. Alkali elektrolize göre daha verimli bir alternatif olan PEM elektrolizörleri, son derece yüksek performanslı katalizörler üretmek için platin kullanır.

Platin ayrıca PEM yakıt hücrelerinde de kullanılır; bu hücreler PEM elektrolizörleri gibi çalışır ancak ters yönde. Hidrojen ve oksijeni ayırmak yerine, platin katalizörüyle birleştirir.

Hidrojen yakıt hücreleri iki elektrottan oluşur — bir anot (negatif elektrot) ve bir katot (pozitif elektrot) ve aralarında bir elektrolit bulunur. Anotta platin gibi bir metal tabakası olan katalizör, hidrojen moleküllerini proton ve elektrona ayırır; bu parçacıklar katota doğru hareket ederek elektrik akışı oluşturur.

Platin’in mükemmel iletkenliği ve kimyasal stabilitesi, onu katalizör olarak son derece verimli kılar. Bu verimlilik, yakıt hücrelerinde yüksek enerji dönüşüm oranlarına ulaşmanın anahtarıdır ve geleneksel enerji kaynaklarıyla rekabet etmelerini sağlar.

Karbon azaltma ihtiyacı arttıkça, platin talebinin de artması bekleniyor; çünkü platin bazlı PEM teknolojileri, küresel CO2 emisyonlarının %11’ini azaltma potansiyeline sahiptir.

Bu nedenle, dünya genelinde bu metal üzerine artan bir odaklanma var. ABD’de, Enflasyon Azaltma Yasası, temiz hidrojen üretimini ve yakıt hücresi elektrikli araçların benimsenmesini hızlandırmak amacıyla düşük karbonlu hidrojen için bir vergi avantajı içerir. Avrupa Komisyonu’nun REPowerEU programı ise 2030 yılına kadar temiz hidrojen kapasitesini 80 GW’ye ikiye katlamayı hedefliyor.

Dünya Platin Yatırım Konseyi’ne göre, bu küresel itici güç, temiz hidrojen üretimini 2040 yılına kadar platin talebinin en büyük kaynağı (%35) haline getirebilir.

Dengesiz talep-arz dinamiklerine ek olarak, platin gibi değerli metallerin kullanımı yüksek maliyet, olası bozulma ve çevresel endişeler gibi ek zorluklar yaratır. Sonuç olarak, araştırmacılar platin’i bir hidrojen katalizörü olarak ortadan kaldırmanın ve daha iyi alternatifler bulmanın yolları üzerinde sürekli çalışmaktadır.

Platin’e yatırım hakkında tüm bilgileri öğrenmek için buraya tıklayın.

Platin İçermeyen Katalizörlerin Üretilmesi

Platin içermeyen hidrojen peşinde, UNSW Sydney’den araştırmacılar, hidrojen yakıt hücrelerinde değerli metalin kullanımına ilişkin sorunları ele almak için bir çalışma yürütüyor.

Araştırmacılar, bazı katalizör malzemelerinin Pt’ye göre neden daha az stabiliteye sahip olduğunu anlamak için yeni bir teknik geliştirdi; bu, diğer araştırmacıların yeni malzemeler geliştirmesine ve hidrojen yakıt hücrelerinde platin içermeyen katalizörlerin gelecekteki perspektiflerini artırmasına yardımcı olacak.

Geliştirilen teknikler, yakıt hücresindeki demir bazlı aktif sitelerin %75’inin ilk 10 saatlik çalışmada etkisiz hale geldiğini ortaya koydu. Bu durum, büyük ölçüde demir aktif sitelerin kaybından ve karbon korozyonundan kaynaklandı.

Ayrı bir çalışmada araştırmacılar Wisconsin-Madison Üniversitesi, Cornell Üniversitesi ve Wuhan Üniversitesi, hidrojen yakıt hücreleri üretmek için reaksiyonu katalize etmenin yeni bir yolunu keşfettiler.

Araştırmacılar, yakıt hücresinin hem katot hem de anot elektrotları için ucuz, değerli olmayan nikel kullandı. Nikel bazlı elektrokatalizör, azot dopingle karbondan yapılmış 2 nanometrelik bir kabukla tasarlandı.

Karbon ve azot atomlarından oluşan grafen benzeri bir kılıfa tek nikel atomları yerleştirmek, onları oksidasyona karşı dirençli kıldı ve etkili bir hidrojen oksidasyon reaksiyonu (HOR) için gereken ideal bağlanma gücüne sahip hidrojen atomlarıyla bağladı.

Böylece, karbon kabuğu içinde katı nikel çekirdeği ve kobalt-mangan bazlı bir katot ile, araştırmacılar 200 mW/cm²’yi aşan bir çıkışa sahip, değerli metal içermeyen bir hidrojen yakıt hücresi yarattılar.

2020’de, DOE’nun Argonne Ulusal Laboratuvarı bilim insanları, oksijen indirgeme reaksiyonuna (ORR) dayanan hidrojen yakıt hücreleri için en umut verici platin içermeyen katalizörü bulup geliştirdi. Bu katalizör, demir, azot ve karbon temelli olup, bu maddeler karıştırıldı ve 900-1100°C arasında pirolizle ısıtıldı.

Daha sonra, malzemenin demir atomları azot atomlarıyla bağlandı ve grafene gömüldü. Burada, her demir atomu ORR’nin gerçekleşebileceği bir site oluşturur ve böylece elektrodu daha verimli kılar.

Pahalı platin bağımlılığını azaltma ve hidrojen yakıt hücreleri ile elektrolizin verimliliğini ve maliyet etkinliğini artırma konusundaki artan ilgiyle birlikte, bilim insanları artık hidrojen üretiminde platinle eşdeğer performansa sahip palladyum bazlı bir nanosheet katalizör geliştirdiler.

Uygun Maliyetli Hidrojen İçin Platin’e Alternatif Olarak Palladyum

En son çalışma, Tokyo Bilim Üniversitesi (TUS) araştırmacılarından geldi; onlar yeni bir hidrojen evrim katalizörü, bis(diimino)palladyum koordinasyon nanosheet’leri (PdDI) geliştirdiler.

Palladyum, parlak, gümüşi bir metal olup, platin grubundaki en bol bulunan metallerdendir ve yoğunluğu platininkinden çok daha düşüktür.

Platin benzeri verimliliği çok daha düşük bir maliyetle sunan palladyumun kullanımı, uygun maliyetli ve sürdürülebilir hidrojen üretimini mümkün kılarak temiz enerji devrimini hızlandırır.

TUS’tan Prof. Hiroshi Nishihara ve Dr. Hiroaki Maeda’nın, diğer kurumların araştırmacılarıyla ortak yürüttüğü bu çalışma, hidrojen evrim reaksiyonu (HER) teknolojisinde bir atılımı işaret ediyor.

HER katalizör elektrotları, su bölünmesi sırasında elektrot yüzeyinde üretilen H’yi hidrojen gazına (H2) dönüştürmeyi kolaylaştırır. Pt’nin HER katalizörü olarak büyük ölçekli uygulamasını sınırlayan kısıtlamalarını aşmak için ekip, basit bir sentez süreciyle platin katalizörlerine yüksek verimli bir alternatif sunuyor.

Ekip, değerli metal kullanımını azaltarak yüksek katalitik aktivite elde edebilen palladyum bazlı nanosheet’ler oluşturdu; bu da H2 üretim maliyetlerini önemli ölçüde düşürüyor.

Dr. Maeda’nın belirttiği gibi, “verimli HER elektrokatalizörleri geliştirmek sürdürülebilir H2 üretiminin anahtarıdır” ve “Yüksek iletkenliği, geniş yüzey alanı ve etkili elektron transferi sayesinde Bis(diimino)metal koordinasyon nanosheet’leri umut vaat eden adaylardır.” Bu özelliklerin yanı sıra, nanosheet’lerin seyrek metal düzeni malzeme kullanımını azaltır.

PdDI nanosheet’leri, yani E-PdDI ve C-PdDI, iki farklı yöntem kullanılarak başarıyla geliştirildi:

1. Elektrokimyasal oksidasyon
2. Gaz-sıvı ara yüzey sentezi

Aktive edildiğinde, E-PdDI sheet’leri 34 mV düşük bir aşırı potansiyel gösterdi; bu, hidrojen üretimi için çok az ek enerji gerektiği anlamına gelir. Bu, 35 mV olan platinin aşırı potansiyeliyle eşleşmekle kalmaz, aynı zamanda değerli metalin katalitik performansını 2,1 mA/cm² değişim akım yoğunluğu ile eşdeğer kılar.

“Olağanüstü performans”, sadece Pd metal elektrotların değil, aynı zamanda geleneksel MDI (M=Ni, Co, Cu) nanosheet’lerin de üzerindedir; çalışma, bu üstün performansın çok az miktarda değerli metal kullanılarak elde edildiğini belirtiyor.

Bu sonuçlarla, E-PdDI bugüne kadar geliştirilen en verimli HER katalizörlerini sunuyor ve platin için umut vaat eden düşük maliyetli bir alternatif oluşturuyor.

Herhangi bir katalizörün kritik yönlerinden biri olan uzun vadeli stabiliteye gelince, PdDI nanosheet’leri mükemmel dayanıklılık gösterdi. Asidik koşullarda 12 saat sonra bile bütünlüğünü koruyarak gerçek dünya hidrojen üretim sistemlerinde uygulanabilirliğini doğruladı.

“Araştırmamız, H2 üretimini daha uygun maliyetli ve sürdürülebilir hâle getirmeye bir adım daha yaklaştırıyor; bu, temiz bir enerji geleceği elde etmek için kritik bir adımdır.”

– Dr. Maeda

Nadir ve maliyetli platin bağımlılığını azaltan bis(diimino)palladyum koordinasyon nanosheet’leri (PdDI), Birleşmiş Milletler’in Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri (SDG’ler) ile uyumlu olarak uygun maliyetli ve temiz enerji, yenilik ve altyapıyı teşvik eder.

Özellikle, çalışma laboratuvar deneyleriyle sınırlı değildir. PdDI nanosheet’lerinin maliyet etkinliği, ölçeklenebilirliği ve artırılmış aktivitesi, onları büyük ölçekli enerji depolama sistemleri, hidrojen yakıt hücreleri ve endüstriyel hidrojen üretiminde son derece faydalı kılar.

Ayrıca, PdDI platin bazlı katalizörlerle ilişkili madencilik kaynaklı emisyonları azaltabilir ve sürdürülebilir bir hidrojen ekonomisine geçişi hızlandırabilir. TUS ekibi için bir sonraki adım, PdDI nanosheet’lerini gerçek dünya kullanımına göre optimize etmektir.

Palladyum’a yatırım hakkında tüm bilgileri öğrenmek için buraya tıklayın.

Yatırım Yapılabilir Yenilikçi Şirketler

Şimdi, platin içermeyen hidrojen katalizörlerinin geliştirilmesi dahil olmak üzere temiz enerji teknolojilerini ilerleten alandaki önde gelen bir isimine bir göz atalım.

Plug Power Inc.

1,54 milyar dolarlık piyasa değerine sahip şirket, hidrojen yakıt hücresi sistemlerinde uzmanlaşmış ve maliyetleri azaltmak ve verimliliği artırmak için platin dışı katalizörler araştırmaktadır.

Yazı itibarıyla, PLUG hisseleri $1.71 seviyesinde işlem görmekte, YTD %21,6 düşüş göstermektedir. EPS (TTM) -2.54, P/E (TTM) ise -0.65’tir.

2024’ün 4. çeyreği için, Plug Power (PLUG ) $191,5 milyon gelir ve %122 brüt marj kaybı bildirdi; işletme nakit akışı ise yıllık %46 iyileşti. Şirket, yılı $200 milyonun üzerinde sınırsız nakit ile kapattı. Yakın zamanda $1,66 milyar tutarında bir DOE Kredi Garanti programını tamamladı.

Bu dönemde, Plug Power’ın elektrolizör işi büyümeye devam etti ve hidrojen işi güçlendi.

“2024, Plug için güçlü bir uygulama ve anlamlı stratejik ilerleme yılıydı; girişimlerimizi ilerletirken hidrojen ekonomisini ileriye taşımada önemli adımlar attık.”

– CEO Andy Marsh

Plug Power Üzerine Son Gelişmeler

Sonuç

Dünya nüfusu hızla artıyor ve 2080’lerin ortalarına kadar yaklaşık 10,3 milyara yükselmesi bekleniyor; bu da sera gazı emisyonları sorununu daha da şiddetlendirecek. Bu durum, fosil yakıt enerjisine bağımlılığımızı azaltmamız ve temiz, daha güvenli, bol ve çevre dostu enerji kaynaklarını benimsememiz gerektiğini ortaya koyuyor.

Burada, hidrojen enerjisi temiz ve sürdürülebilir bir geleceğin temel itici gücü olarak ortaya çıkmış; fosil yakıtlara sıfır emisyonlu bir alternatif sunuyor. Ümit verici olmasına rağmen, hidrojenin büyük ölçekli üretimi pahalı platin bazlı katalizörlere büyük ölçüde bağlıdır; bu da maliyeti sektör için büyük bir zorluk haline getiriyor.

Değerli Pt metalini PdDI nanosheet’leriyle değiştirerek, son çalışma elektrotların maliyet etkin üretiminde bir atılım sağladı ve elektrot tedarik endüstrileri, hidrojen üretimi ve otomotiv sektörlerinde büyük başarılar elde etti.

Çevresel odaklı en iyi temiz enerji hisselerinin listesi için buraya tıklayın.

Referans Alınan Çalışmalar:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). Tamamen değerli metal içermeyen, karbon kaplı nikel anot kullanan geliştirilmiş performanslı alkalin yakıt hücresi. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Hidrojen Evrimi için Yüksek Aktif Elektrokatalizörler Olarak Bis(diimino)palladyum Nanosheet’lerinin Sentezi. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082