Anasayfa » Sektörler » Çevre ve Enerji Teknolojileri » Çevre Dostu Enerji İçin Fotokatalitik Hidrojen Üretimi

Çevre Dostu Enerji İçin Fotokatalitik Hidrojen Üretimi

Bilindiği gibi enerji ihtiyacımızın büyük çoğunluğunu fosil yakıtlardan karşılıyoruz. Sanayi, ısınma, ulaşım ve elektrik üretimi gibi yaşamımızın birçok aşamasında fosil yakıtlara ihtiyaç duyuyoruz. Fakat enerji ihtiyacımızı temin ettiğimiz bu yakıtlar pek de çevre dostu değiller maalesef. Günümüzün en büyük sorunlarından biri olan çevre kirliliğine de baş etken olarak fosil yakıtlar gösterilmektedir.                  

2015 yılında yapılan araştırmalarda, küresel bazda enerji kaynaklı 22,5 milyar ton karbondioksit atmosfere verildiği belirlenmiştir. Bu atmosfere yapılan salınımda da petrol %44, kömür %35 ve doğalgaz %21 paya sahiptir. Bu veriler, fosil yakıtların çevreye zarar boyutunu açıkça göstermektedir. Şimdilerde de daha temiz, daha çevre dostu ve yenilenebilir alternatif enerji kaynaklarına yönelim söz konusudur. Bu da ilk olarak Hidrojen enerjisini akıllara getirmektedir. Hidrojenin üretim kaynakları boldur ve çeşitlilik göstermektedir. Hidrojen fosil yakıtlardan elde edilebileceği gibi (ki bunu istemiyoruz, amacımız daha temiz bir enerji elde etmek) güneş, rüzgâr, hidrolik enerji gibi yenilenebilir enerji kaynakları, suyun elektrolizinden ve biyokütleden de üretimi yapılmaktadır.

Fosil yakıtların yakın bir tarihte tükenebileceği göz önüne alınarak son yıllarda güneş enerjisinin kullanımı ile hidrojeni kimyasal enerji olarak depolayabilen teknolojilere eğilim vardır. Hidrojen üretimi için güneş enerjisinin kullanıyor olmasıyla arzu edilen şekilde yenilenebilir ve çevre dostu bir enerji elde edilmiş olacaktır.

Element olarak: Hidrojen

Biraz Hidrojen hakkında bilgi verecek olursak; çevrenin en basit ve en çok kullanılan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır. Hidrojen genelde -253oC’de sıvılaştırılarak basınçlı tanklarda depolanmaktadır. Bilinen yakıtlardan birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahip olanıdır. Hidrojen, doğada bileşik halinde bulunur. Yaygın bilinen bileşiği ise sudur.

Hidrojenin doğalgaza göre kütlesel olarak verdiği enerji 3 kat daha fazladır. Hidrojenden enerji elde edilmesi esnasında su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisi yaratıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde oluşumu söz konusu değildir.

Fotokatalitik Hidrojen üretimi

1971 yılında Honda-Fujishima’nın TiO2 fotokatalizörünün aktivesini bulduktan sonra fotokatalitik prosesler ile güneş enerjisi kullanılarak hidrojen üretimi çalışmaları hız kazanmıştır. Çok fazla katalizör ile çalışılmış ve farklı sistemler denenmesine rağmen halen istenilen hedefe ulaşılamamıştır. Kullanılabilirliği yakalamak için en temel koşul az maliyetli üretimi sağlamaktır.

Fotokatalitik Hidrojen üretimine bakıldığında termodinamiksel olarak, suyun parçalanma reaksiyonu Gibbs serbest enerjisindeki yüksek pozitif değişimle birlikte zor bir reaksiyondur. Çünkü saf su, güneş radyasyonunu absorplayamaz. Suyun fotokimyasal yolla ayrışmasında aşağıdaki reaksiyonu harekete geçirmek için güneş ışığını çeken fotokatalitik yarı iletkene ihtiyaç duyar.
Cevre-Dostu-Enerji-Icin-Fotokatalitik-Hidrojen-Uretimi-01

Fotokatalizörlere biraz değinecek olursak; fotokatalizör olarak kullanılan maddeler genelde yarı iletken maddelerdir. Bu maddeler dışarıdan gelen bir etki ile (ısı, ışık, manyetik etki vb.) değerlik bandındaki elektronu kopararak iletkenlik bandına taşırlar ve değerlik bandında boşluklar oluştururlar. Yarı iletkenin bant boşluk enerjisi, elektriksel iletkenliği sağlayan minimum ışık enerjisidir. Yarı iletken fotokatalizör olarak genelde metal oksitler ve sülfitler  (TiO2, ZrO2, Fe2O3, SiO2, Nb2O5, CdS, SnO2 vb.) kullanılmaktadır. Bir maddenin fotokatalizör olarak kullanılması ve suyun ayrışmasını sağlayabilmesi için fotokatalizör yüzeyine adsorplanan maddenin indirgenme potansiyeli, yarı iletkenin iletkenlik bant potansiyelinden düşük olmalıdır. Elektronun uyarılması sonucu değerlik bandında oluşan boşluğun enerji seviyesi ise, suyun yükseltgenme potansiyelinden daha büyük olmalıdır. Fotokatalizörün uyarılması için gerekli olan enerji arttıkça, onu uyaracak olan fotonun dalga boyu küçülmekte ve elektromanyetik spektrumun uzak ultraviyole bölgesine doğru kaymakta, bu da fotokatalizörün uygulama alanlarını daraltmaktadır.

Cevre-Dostu-Enerji-Icin-Fotokatalitik-Hidrojen-Uretimi-02

Yukarıdaki resimlerde de görüldüğü gibi, heterojen bir yarı iletken üzerinde suyun H2 ve O2’ye dönüşümü 3 adımda oluşmaktadır.

  1. Yarı iletken bant boşluğundan daha yüksek enerjiye sahip fotonların absorblanmasının yarı iletken parçacıklar içindeki elektron(e) – boşluk(h+) çiftine yol açması,
  2. Fotonlarla uyarılmış taşıyıcılar ardından yarı iletken parçacıklardaki yük ayrılması,
  3. Su ile bu taşıyıcılar arasında gerçekleşen kimyasal reaksiyondur.

Fotokatalitik reaksiyonun gerçekleştirileceği sistemde ışık spektrumunun UV ve görünür gölgesinde aktif olan fotokatalizörler, ışık absorpsiyonu ile iletkenlik bandında  (CB) suyun hidrojene indirgenme reaksiyonu gerçekleşerek Hidrojen gazı eldesi sağlanmaktadır.

Kaynaklar

Cevre-Dostu-Enerji-için-Hidrojen , Erişim Tarihi : 3 Mart 2016 http://www.exconenerji.com/hidrojen-enerjisi-sistemleri.html

Fosil Yakıtların Çevresel Etkileri, Erişim Tarihi : 2 Mart 2016 http://yenilenebilirenerjikaynaklari.biz/yenilenebilirenerjikaynaklari/fosil-yakitlar/fosil-yakitlarin-cevresel-etkileri.html

Bekir Esen, Ankara Üniversitesi , Yüksek Lisans Tezi , “Hidrotermal Yöntemle Sentezlenen Nano Metal Oksitlerin Fotokatalitik Özelliklerinin İncelenmesi”

Hidrojen Enerjisi,  Erişim Tarihi : 1 Mart 2016 http://www.eie.gov.tr/teknoloji/h_enerjisi.aspx

Zhang, K.Jing, D. Xing, C.& Guo, L. (2007). “Significantly improved photocatalytic hydrogen production activity over Cd1-xZnxS photocatalysts preparedby a novel thermal sulfuration method.” International Journal of HydrogenEnergy, 32(18), 4685-4691.

Fotokatalitik-Hidrojen-Uretimi, Abe, R. (2010). “Recent progress on photocatalytic and photoelectrochemical water splitting undervisible light irradiation.” Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 11(4), 179-209.

Send this to friend