Yakıt Pillerinde Nanoteknolojinin Rolü

Yakıt pilleri temel olarak, oksitleyici ajan olarak hidrojen ve oksijenin kimyasal reaksiyonu sonucu ortaya çıkan, kimyasal enerjiyi redoks adı verilen bir işlemle elektriğe dönüştürebilen elektrokimyasal cihazlardır.

Mevcut pillerin aksine, yakıt pilleri enerjiyi depolamaz. Bunun yerine, enerji üretmek için sürekli olarak hidrojen ve oksijen gibi maddelere ihtiyaç duyar. Bu makalede yakıt pilleri ve yakıt pillerinin nanoteknolojideki rolü detaylı olarak incelenmektedir. Nanografi'nin ileri teknoloji nanomateryalleri ile geleceğin enerji çözümlerini web sitemizde keşfedin.

Giriş

Ancak kimyasal enerji, çoğu durumda anyonlardan, katyonlardan veya oksitlerden gelir. Aslında, yakıt pilleri, oksidasyon reaksiyonunu gerçekleştirecek kadar oksijen olduğu sürece sürekli elektrik üretebilir.

Yakıt Pillerinin Tarihçesi

Yakıt pilleri, 1838'de Sir William Grove tarafından icat edildi. Ancak, bu pillerin ticari kullanımı ilk kez icatlarından yaklaşık 100 yıl sonra başladı. 1960'ların ortalarında NASA, uzay çalışmaları için alkalin yakıt pilleri olan Bacon yakıt pillerini kullanmaya başladı. Bu piller, özellikle şehirden uzak yerlerde enerji yedekleme için konut, sanayi ve ticaret bölgelerinde kullanılıyor. Ayrıca, elektrikle çalışan arabalar, otobüsler, motosikletler, tekneler ve denizaltılar için de yakıt pilleri kullanılmaktadır.

Yakıt Pilleri Türleri

Yakıt pilleri, enerji üretimi için kullanılan cihazlardır ve birçok farklı türü vardır. Ancak, tüm yakıt pilleri temelde benzer şekilde çalışır: bir katot, bir anot ve aralarında iyonların hareket etmesine izin veren bir elektrolit içerirler. Bu iyonlar genellikle hidrojendir. Ancak, bu pillerin yaygınlaşmasını engelleyen bazı zorluklar vardır. Bunlar arasında yüksek maliyetler, dayanıklılık sorunları ve bazı teknik zorluklar bulunmaktadır.

Düşük sıcaklıklı yakıt pillerinin maliyeti, genellikle içerdikleri elektrolit ve elektrokatalizör malzemesine bağlıdır. Yüksek sıcaklıktakilere gelince, atık ve işleme maliyetleri daha belirgindir. Son yıllarda, yakıt pillerinin daha verimli hale getirilmesi için araştırmalar, elektrokatalizör maddesinin azaltılmasına ve daha ucuz metallerin kullanılmasına yoğunlaşmıştır. Bu, özellikle oksijen ve bazı hidrokarbon yakıtlarının kimyasal reaksiyonlarında önemlidir. Nanoteknoloji, yakıt pillerinin performansını artırmak ve maliyetini düşürmek için potansiyel bir çözüm olarak görülmektedir.

Yakıt pillerinde, anot ve katot arasındaki reaksiyonlar enerji üretir. Temelde, anotta hidrojen, bir iyon ve bir elektrona ayrılır. Bu elektronlar, elektrik cihazlarına enerji sağlamak için kullanılır. Yakıt pilinin spesifik türü, kullandığı elektrolit maddeye bağlıdır. Anot katalizörleri genellikle platin tozu gibi değerli malzemelerden yapılır.

Şekil 1: PEM yakıt pilinin kesit görünümü. 

Porous PGM (Platinum Group Metal) Tabanlı Nanokatalizör Yakıt Pilleri 

Porselen Platin nanotüpler, PtNi, Pt3Ni ve PtNi gibi nanoporöz alaşımlar, yüksek oksijen indirgeme aktivitelerini göstermiştir. Teknik olarak, tanecikler poroziteyi benimsemek için en az 15 nanometre çapında olmalıdır. PtNi, Pt, CuPt ve PtCu gibi boş yapıları olan nanoküreler, oksijen indirgeme için oldukça yüksek aktivite ve uzun vadeli kararlılık sergilemiştir. Başka bir durumda, mesoparöz platin nanotabakalar, hiç gözenekleri olmayan platin nanotabakalara göre iki kat daha yüksek kütleyle normalize edilmiş akım yoğunluğunu göstermiştir. Küçük boyutlu meso-Pt, daha yüksek kararlılık ve daha büyük boyutlara sahip olanlarla karşılaştırıldığında metanol için dikkate değer bir akım üretir 1.

Katalizör Destek Olarak Karbon Nanomalzemeleri 

Çeşitli karbon nanomalzemeleri, çok katmanlı karbon nanotüpler, tek katmanlı karbon nanotüpler, karbon-nano bobin, karbon nanofiberler ve mesoparöz karbon gibi platinin oksijen indirgeme reaksiyonları için katalizör olarak kullanımı için detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu karbon tabanlı nano yapıların tümünde, destekteki hatalar katalitik aktiviteyi artırır. Bir tek katmanlı polimer elektrolit membranlı yakıt pili, SWNT-COOH işlevi ile optimize edilmiş bir miktar kullanarak platin indirgemeyi istenilen sonuçla işleyebilmiştir. Değiştirilmiş karbon nanomalzemeleri, N-, S-, B- ve P-dopeli panel yapıları gibi katalitik destekleri ve metal içermeyen doğası nedeniyle incelenmiştir. Yakıt pillerinin geliştirilmesinde uygulanan diğer nanomalzeme sınıfları da nanokarbon destekli elektrokatalizörler, değerli olmayan metaller ve metal içermeyen katalizörler, nanokompozit membranlar ve nano yapıdaki katalizör tabakalarını içermektedir.

Sonuç

Nanoteknolojinin katkıları, maddelerin fiziksel özelliklerinin nano ölçekte değiştirilmesiyle önemli ölçüde artmıştır. Bu teknolojik gelişmeler, yakıt pillerinin üretiminde önemli avantajlar sağlamaktadır. Nanoyapılı bileşenlere sahip yakıt pilleri, hem dayanıklılıkları hem de akım yoğunlukları bakımından üstün özelliklere sahiptir. Ek olarak, bu yakıt pillerinin maliyeti, mevcut ticari yakıt pillerine kıyasla daha ekonomiktir. Oksidasyon ve indirgeme süreçlerinde kullanılan çeşitli nanomalzemeler, yakıt pillerinin performansını daha da artırmaktadır. 

Daha fazla bilgi edinmek için Blografi'yi ziyaret edin.

Kaynakça:

Gondal, I. A. The role of nanotechnology in fuel cells and renewable energy. (2019).

Μ. ΘΕΟΔΩΡΟΥ, Μ. Μ. ΔομήκαιΛειτουργίατουΕλληνικούΣυστήματοςΥγείας(ΔιοικητικέςκαιΝομικέςΔιαστάσεις)No Title.

PEM fuel cell: cutaway view - Kids | Britannica Kids | Homework Help. (n.d.). Retrieved February 7, 2024, from https://kids.britannica.com/kids/assembly/view/100899