Hidrojen, temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak büyük potansiyele sahip. Ancak hidrojen üretmek için kullanılan yöntemler genellikle pahalı ve verimsizdir. Bu sorunu çözmek için Chiba Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, altın-nikel alaşımının hidrojen üretimi için etkili bir katalizör olduğunu keşfetti. Bu çalışma, suyun elektrolizi ve yakıt hücresi uygulamaları için yeni bir yol açabilir.

Altın-Nikel Alaşımının Özellikleri

Suyun elektrolizi, suyu elektrik akımıyla hidrojen ve oksijene ayırma işlemidir. Bu işlemde, hidrojen oluşumu reaksiyonu (HER) adı verilen negatif yüklü bir elektrotta hidrojen gazı salınır. HER’in verimliliğini artırmak için katalizörler kullanılır. Katalizörler, HER için gerekli olan voltaj farkını (aşırı potansiyel) azaltarak süreci hızlandırır.

Altın (Au) bazlı katalizörler, HER için yüksek kimyasal stabilite gösterir ancak düşük aktiviteye sahiptir. Bu nedenle, altını nikel (Ni) ile alaşımlamak HER aktivitesini artırabilir. Ni, Au’ya göre daha aktif ancak daha az kararlıdır. Bu yüzden AuNi alaşımı, iki metalin avantajlarını birleştiren umut verici bir katalizördür.

Araştırma Ekibinin Buldukları

Chiba Üniversitesi’nden Doçent Masashi Nakamura liderliğindeki araştırma ekibi, AuNi alaşımının yüzey yapısını, atomik düzenini ve HER aktivitesini inceledi. Ekip, tek kristalli Au elektrotlar üzerinde farklı alaşım sıcaklıklarında hazırlanan AuNi yüzey alaşımlarını kullandı. Bu alaşımlar, Ni’nin Au’nun yüzey katmanına karıştığı şekilde oluşturuldu.

Ekip, AuNi/Au elektrotunu 0,05 M sülfürik asit içeren bir elektrokimyasal hücreye aktardı ve HER aktivitesini ölçmek için döngüsel voltammogram (CV) ve doğrusal tarama voltammogramı (LSV) tekniklerini kullandı. Ayrıca AuNi/Au katalizörünün yüzey özelliklerini X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve yüzey X-ışını kırınımı (SXRD) teknikleri ile analiz etti.

Ekip, AuNi/Au’nun HER aktivitesinin Au substratının yüzey yapısına bağlı olduğunu buldu. En yüksek aktiviteyi gösteren yüzey (110) oldu. Ayrıca yüzey alaşımı, Ni alaşımlandırma yoluyla HER aktivitesini geliştirdi. Bu, XPS ve SXRD ile doğrulandı. Ekip, Ni’nin yüzey alaşımı katmanından çözünmesinin neden olduğu, yüzeyin en üst katmanındaki atomik dolulukta bir azalma gözlemledi. Ni dağıtım süreci yüzeyde kusurlar yarattı ve Ni’ye bitişik düşük koordinasyonlu Au bölgeleri HER’yi etkinleştirdi.

Çalışmanın Önemi ve Geleceği

Bu çalışma, AuNi alaşımının yapısal ve elektrokimyasal özelliklerine ilişkin yeni bilgiler sağlayarak pratik elektroliz ve yakıt hücresi uygulamaları için oldukça aktif ve dayanıklı bir katalizör olarak potansiyelini ortaya koydu. Dr. Nakamura, çalışmanın önemini şöyle vurguladı: “Platin gibi nadir ve oldukça pahalı metaller, suyun elektrolizi için katalizör olarak yaygın olarak kullanılıyor. AuNi nanoparçacıkları artık platin olmayan umut verici bir alternatif olarak ortaya çıktı ve HER aktivitelerini daha da geliştirmek çok önemli.”

Ekip, gelecekte AuNi alaşımının HER performansını optimize etmek için farklı alaşım bileşimleri, yüzey yapıları ve işleme koşulları denemeyi planlıyor. Ayrıca AuNi alaşımının oksijen evrimi reaksiyonu (OER) gibi diğer elektrokatalitik reaksiyonlarda nasıl davrandığını da araştırmayı amaçlıyor.

Bu çalışma, ChemElectroChem dergisinde “Hydrogen Evolution Reaction Activity of AuNi Surface Alloys on Single-Crystal Au Electrodes” başlığıyla yayınlandı . Çalışmaya Chiba Üniversitesi’nden Doçent Masashi Nakamura, doktora öğrencisi Syunnosuke Tanaka ve Profesör Nagahiro Hoshi katkıda bulundu. Çalışma Japonya Bilim ve Teknoloji Ajansı (JST) tarafından desteklendi.