Atık suyun verimli bir şekilde temizlendiği ve aynı zamanda hidrojen üretimine de katkıda bulunduğu bir dünya hayal edelim. ABD’deki Worcester Politeknik Enstitüsü (WPI) araştırmacıları bu hayali gerçekleştirmek için üreyi sudan uzaklaştıracak ve potansiyel olarak hidrojen gazına dönüştürecek bir malzeme geliştirdi. WPI’da Kimya Mühendisliği alanında profesör Xiaowei Teng tarafından yürütülen çalışma, üre elektrolizinde uzun süredir devam eden bir soruna umut verici bir çözüm ortaya koyuyor. Üre, nitrojen açısından zengin yaygın bir tarımsal gübredir ve insan metabolizmasının bir yan ürünüdür. Suda yüksek miktarda bulunduğunda ise çevresel sorunlara sebep oluyor. Üre açısından zengin tarımsal akış ve atık su deşarjı, zararlı alglerin çoğalmasına ve oksijensiz ölü bölgeler oluşumuna katkıda bulunarak, suları ve insan sağlığını olumsuz yönde etkiliyor.
Bununla birlikte, ürenin toksik olmayan yapısı, suda yüksek çözünürlüğü ve önemli miktarda hidrojen içeriği gibi benzersiz özellikleri, onu hidrojen depolama ve üretimi için potansiyel bir aday haline getiriyor.
Üreyi sudan ayırmak zorlu bir süreç
Ürenin hidrojen üretimi için kullanılmasındaki sorun, üreyi su yerine seçici olarak oksitleyen düşük maliyetli ve yüksek verimli elektrokatalizörlerin olmaması. Teng ve WPI’daki ekibi, çalışmalarında ayrıntılı olarak belirtildiği gibi, benzersiz elektronik yapılara sahip, sinerjistik olarak etkileşime giren nikel ve kobalt atomlarından oluşan elektrokatalizörler yaratarak bu zorluğun üstesinden geldi.
Ekibin araştırması homojen nikel ve kobalt oksitler ve hidroksitlere odaklandı. Benzersiz elektronik yapıların baskın Ni2+ ve Co3+ türleriyle uyarlanmasının, üre oksidasyonu için elektrokimyasal aktiviteyi ve seçiciliği arttırmak için çok önemli olduğunu keşfetti.
Teng şöyle açıklıyor: “Bu elektronik konfigürasyon, üre oksidasyonunun seçiciliğini geliştirmek için çok önemli bir faktördür çünkü Ni3+ gibi daha yüksek nikel değerinin gerçekten de güçlü elektrik akımı çıkışıyla hızlı bir reaksiyon üretilmesine yardımcı olduğunu gözlemliyoruz; ancak akımın büyük bir kısmı, istenmeyen su oksidasyonundan kaynaklanıyordu.”
WPI’dan Profesör Aaron Deskins tarafından gerçekleştirilen hesaplamalı simülasyonlar, nikel ve kobalt oksitlerin ve hidroksitlerin homojen karışımının, elektronun yeniden dağıtımını kolaylaştırdığını, üre ve su molekülleriyle bağlanma için katalizörleri optimize ettiğini gösteren deneysel bulguları destekledi.
Üre, onlarca yıldır ticari olarak üretilen önemli bir azotlu gübre ve yem katkı maddesi. Yalnızca 2021 yılında yaklaşık 180 milyon ton üre üretildi. Yetişkin bir insan günde 1,5 litre idrar üretiyor, bu da yılda 11 kg üre ve 0,77 kg hidrojen gazına eşdeğer. Ekibin bulguları, atık sulardan verimli bir şekilde hidrojen yakıtı üretmekle kalmayıp, aynı zamanda ekolojik sistemlerin uzun vadeli sürdürülebilirliğine de katkıda bulunarak ürenin kullanılma biçiminde devrim yaratabilir.