Ispanak, Platinden Daha Verimli Bir Katalizör Olarak Yakıt Hücrelerine Güç Katabilir!

Shouzhong Zou ve Amerikan Üniversitesi Kimya bölümündeki ekibi, yakıt hücrelerinin performansını geliştirmenin bir yolu olarak ıspanak kullanmayı denemeye karar verdiklerinde, ıspanağın ne kadar iyi çalıştığına kendileri de şaşırdılar. Bunun mümkün olabileceğini göstermeyi hedefleyen deneylerinde, yakıt pillerinde ve metal-hava pillerinde kullanılabilecek karbon açısından zengin bir katalizör yapmak için, mahallelerindeki süpermarketlerden satın aldıkları ıspanağı kullandılar.

Ispanak, yakıt hücrelerindeki oksijen indirgeme reaksiyonları (İng: "oxygen reduction reactions" ya da kısaca "ORR") için gerekli olan yüksek performanslı katalizörler için bir öncü olarak kullanıldı. Geleneksel olarak yakıt pilleri, platin bazlı katalizörler kullanılmıştır; ancak platin, çok pahalı ve elde edilmesi zor olmakla kalmayıp, belirli koşullarda kimyasal zehirlenmeye karşı savunmasız olabilir. Sonuç olarak, araştırmacılar, platini değiştirmek için biyokütle türevi, karbon bazlı katalizörlere yöneldiler; ancak uygun maliyetli ve toksik olmayan malzemeler bulmak konusunda zorandılar. Zou, şöyle diyor:

Ispanağı keşfetme konusunda için şanslıydık, çünkü yüksek demir ve nitrojen içeriğine sahip. Şu anda yöntemimiz, ıspanağa biraz daha azot eklememiz gerektiriyor, çünkü ıspanak içinde çok fazla nitrojen olmasına rağmen, ıspanağı hazırlama işlemi sırasında bu nitrojenin bir kısmı kayboluyor.

NDNR

Bugüne kadar diğer araştırmalarda da ıspanak gibi yeşil yapraklı sebzeler, çeşitli amaçlarla kullanmıştı. Yani ıspanağın elektrokimyasal niteliklerini ilk keşfedenler Zou ve ekibi değildi. Örneğin, 2014 yılında yapılan bir çalışmada, kapasitör elektrotları oluşturmak için ıspanaktan aktif karbon toplanmıştı.^[2] Daha güncel bir makalede ıspanak bazlı nanokompozitleri fotokatalizörler üretilmişti.^[3] Zou, ıspanağın demir ve azotça zengin olmasının (her ikisi de oksijen indirgeme tepkimeleri için gereklidir) yanı sıra, yetiştirilmesinin kolay ve platinden kesinlikle daha ucuz olduğunu söylüyor.

Ispanak bazlı katalizörün hazırlanması ilk başta şüpheli bir şekilde bir smoothie tarifine benziyor: Taze yaprakları yıkanır, meyve suyu haline getirilir ve dondurarak kurutulur. Kurutulmuş meyve suyu daha sonra bir toz halinde öğütülür ve buna bir nitrojen destekleyici olarak melamin eklenir. Zou'nun "mutfağımızda kullandığımız sofra tuzuna çok benzer" olarak nitelediği sodyum klorür ve potasyum klorür gibi tuzlar eklenir. Bu tuzlar, reaksiyonlar için mevcut yüzey alanını artıran gözenekler oluşturmak için gereklidir. Ispanak-melamin-tuz kompozitleri 900 °C'de birkaç kez pirolize edilerek nanolevhalar üretilir. Zou şöyle diyor:

"Elbette, daha verimli hale getirmek için bu malzemenin hazırlanma sürecini optimize edebiliriz.

Etkili bir katalizör, daha hızlı, daha verimli bir reaksiyon anlamına gelir. Yakıt pilleri söz konusu olduğunda bu, pillerin enerji çıkışını artırabilir. Nanolevhaların gözenekliliğinin yardımcı olduğu yer burasıdır. Zou, onlara "nanolevhalar" adını vermemize rağmen, birlikte istiflendiklerinde, çok sağlam bir deste oluşturmadıklarını söylüyor. Tuzların eklenmesi, oksijenin sadece dış yüzeylere erişmek yerine, malzemeye nüfuz etmesini sağlayan küçük delikler oluşturuyor. Tüm aktif alanların kullanılabilmesi için, malzemenin yeterince gözenekli hale getirilmesi gerekiyor.

Amerikan Üniversitesi ekibini, ıspanağa iten bir diğer faktör de yenilenebilir bir biyokütle kaynağı olmasıydı. Zou, şöyle diyor:

Sürdürülebilirlik, aldığımız kararın çok önemli bir parçasıydı. Cevaplamamız gereken en büyük soru, yemek masası ile rekabetten nasıl kaçınabileceğimizdi.

Bu bir şaka değil. Biyoyakıtların aç kişileri doyurmak yerine yakıt olarak kullanılması gerçekten eleştirilmekte olan bir sorundur.^[4]

İkincisi, karbon ayak izini katalizör hazırlığı açısından nasıl tutabiliriz? Çünkü şu anda hazırlık prosedürümüzde yüksek sıcaklıklar kullanıyoruz. Aynı malzeme türünü elde etmek için bunları yapmanın farklı yollarını bulabilirsek, bu enerji tüketimini ve bu sayede karbon ayak izini önemli ölçüde azaltacaktır.

Sonuçlar umut verici olsa da, henüz gitmek için uzun bir yol var. Zou, çalışmanın şu ana kadar sadece prensip kanıtı olduğu konusunda uyarıyor. Pratik uygulamalar hakkında konuştuğumuzda çok dikkatli olmalıyız, çünkü laboratuvar koşullarında mükemmel performans gösteren bir şey, onları gerçek cihazda uyguladığımızda daha zor hale gelebilir.

Daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyan bir başka husus da, ıspanaktan türetilen katalizörün alkali koşullarda platin bazlı katalizörlerden daha iyi performans göstermesine rağmen, asidik bir ortamdaki performansın verimli olmadığıdır. Zou şöyle diyor:

Açıkçası, geniş bir pH aralığında çalışıp çalışamayacaklarını görmek için yapmamız gereken bazı ayarlamalar var.

Tam bir prototip üretmek, bir sonraki bariz adım olacaktır. Böylece ıspanaktan elde edilen katalizör, bir yakıt hücresinde test edilecektir. Zou, sözlerini şöyle bitiriyor:

Bu, bu noktada laboratuvarımda sahip olmadığım uzmanlık türü. Bu nedenle diğer gruplarla işbirliği yapmayı düşünüyoruz veya uzmanlığımızı bu alanda geliştireceğiz, çünkü atılması gereken bir adım bu.