Karbon Nanotüplerde Hidrojen Depolama

ÖZET

İnsanın, gelişmiş endüstri ve teknoloji için sürekli artan enerji talebine ihtiyacı vardır. Bu gerekli enerjinin çoğu fosil yakıtlarla sağlanır. Ancak fosil yakıtların yanmasıyla açığa çıkan gazlar, ozon tabakasını sera gazlarının etkisiyle delmekte ve doğaya büyük zarar vermektedir. Fosil yakıtların belirli bir rezervi vardır ve artan enerji talebiyle sorumsuzca kullanılması, fosil yakıtların yakın gelecekte tüketileceği ortaya konmaktadır. Artan enerji talebini karşılamak için araştırmacılar alternatif, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına odaklanmaktadır. Hidrojen yakıldığında su buharı açığa çıkar. Bu nedenle hidrojen bilinen alternatif temiz enerji kaynağından biridir.

Hidrojeni fosil yakıtlara alternatif bir yakıt olarak kullanmak için hidrojen enerjisi ekonomisinden bahsetmek gerekir. Bu çalışmada, hidrojen depolama yöntemlerinden biri olan katı hal depolama (özellikle karbon nanotüpler) dikkate alınmıştır. Karbon nanotüpler hafiftir ve gözenekli bir yapıya sahiptir.

Geniş yüzey alanı, bu yapılarda hidrojenin depolanmasını sağlar. Karbon nanotüplerin hidrojen depolama kapasiteleri, nanotüpün tipine (tek duvarlı, çok duvarlı), boru boyutlarına (boru çapı ve uzunluğu vb.) ve tüpün yüzeylerinin aktivitesine bağlı olarak değişmektedir. Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir. Karbon nanotüplerde hidrojen ile karbon arasında kovalent bağ oluşumu (kimyasal adsorpsiyon) ve/veya zayıf van der Waals bağ oluşumu (fiziksel adsorbsiyon) sonucunda hidrojen depolama olarak gerçekleşir. Karbon nanotüplerin hidrojen depolama kapasitelerini arttırmak için çeşitli karbon nanotüp modifikasyonları sürekli olarak araştırılmaktadır. Bu çalışmada, literatürdeki karbon nanotüplerin modifikasyonları incelenerek hidrojen depolama süreçleri ayrıntılı olarak incelenmiştir.

GİRİŞ

Fosil yakıt rezervlerinin giderek azalması ve yol açtığı çevre kirliliği, yenilenebilir enerji kaynaklarının etkin kullanılmasına ve alternatif enerji kaynaklarının araştırılmasına yol açmaktadır. Hidrojen enerjisi, yüksek ısıl değeri (141,9 MJ/kg olup) benzinin ısıl değerinden 3 kat fazladır ve çevreyi kirletmemesi nedeniyle, fosil yakıtların yerini alacak en önemli alternatif enerji kaynağı olarak dikkati çekmekte, kolayca ve güvenli olarak her yere taşınabilmesi, taşınmasında çok az enerji kayıpları olması, endüstri, ev ve taşıtlarda kullanılabilmesi nedenleriyle, 21. yüzyıla damgasını vuracak bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmektedir. [1,2]

Hidrojen Depolama Yöntemleri

  1. Tanklarda gaz ve sıvı olarak fiziksel depolama,
  2. Hidrojen taşıyıcılarda (metanol, amonyak, v.b.) kimyasal depolama,
  3. Katılarda depolama (adsorbsiyon ve/veya absorbsiyon)
    • Metal hidrürler
    • Metal organik kafes yapılar
    • Cam küreler
    • Karbon malzemeler
Şekil 1: Hidrojen çevrimi

KARBON NANOTÜPLERDE HİDROJEN DEPOLAMA

  • İlk CNTler : Moskovada Kimyasal Fizik Enstitüsünde CNT’ler ve C-NT demetleri keşfedildi.
  • Fullerenler keşfedilince araştırmalar yoğunlaştı.
  • 1991yılında,Tsukuba Labaratuarında SumiIijima, TEM ile C-NT’ler gözlemledi.
  • İlk tek katmanlı C-NT (TDKNT) 1994 de Japonya’da üretildi.
  • IBM ancak 1996’daC-NT’leri üretebildi.
  • İstikrarlı, hafif, ucuz
  • Büyük aktif yüzey alanı
  • H2 ve nanotüp iç veya dış duvar arasındaki Van der Waals etkileşimi
  • İnsan saçından 10.000 kez daha ince
  • Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar
Şekil 2  a) Elmas b) Grafit c) Altıgen elmas d-f) Fullerenler (C60, C540, C70) g)Amorf karbon h) Karbon nanotüp

Karbon Nanotüplerin Çeşitleri

Karbon nanotüpler Tek  ve Çok duvarlı olamak üzere iki’ye ayrılmaktadır. Çok durvarlı karbon nanotüpler farklı boyuttaki tek duvarlı karbon nanotüplerin iç içe geçmiş halidir.

  • Şekil 3: Tek Duvarlı Karbon Nanotüp
  • Şekil 4: Çok Duvarlı Karbon Nanotüp
Şekil 5 Hidrojen depolanmasında basıncın etkisi (Simülasyon)

KARBON NANOTÜP SENTEZLEME YÖNTEMLERİ

Hidrojen depolamada Karbon Nanotüp’lerin uygulanması

Karbon nanotüplerdeki hidrojen adsorpsiyonu üzerine birçok çalışma yapılmış olmasına rağmen, mekanizması çok net değildir.

Şekil 6 Bir dizi karbon nanotüpte (gri) adsorbe edilen hidrojen gazı (kırmızı).

Hidrojen, nanotüplerde iki şekilde depolanabilmektedir. Karbon nanotüplerde hidrojen ile karbon arasında kovalent bağ oluşumu (kimyasal adsorpsiyon) ve/veya zayıf van der Waals bağ oluşumu (fiziksel adsorbsiyon) sonucunda hidrojen depolama olarak gerçekleşir.

Karbon Nanotüplerde Gerçekleştirilen Son Gelişmeler

Pek çok çalışma, saf KNT’ler üzerindeki fiziksel adsorbsiyon, hidrojen depolamanın uygun bir yöntemi olmayabileceğini göstermiştir. Bu çalışmalar sonucunda karbon nanotüplerde karbonun alkali veya geçiş metalleri ile modifikasyonunu gerçekleştiren bir çok araştırma yapılmaya başlanmıştır.[3,4,5]

Şekil 7 Platin nanopartiküllerin tek duvarlı karbon nanotüplerde hidrojen depolanmasını mümkün kılan “yayılma’’ (difüzyon) mekanizmasının şematik görünümü.
Şekil 8 Titanyum atomlarında kapsanan karbon nanotüpler, hidrojen depolamak için çok verimli bir yöntem sağlar.
Şekil 9 Bor nitrür nanotüpler (BNNT’ler) deneysel olarak, çok duvarlı bambu benzeri BNNT numunelerinin, oda sıcaklığında ağırlıkça % 2.6’ya kadar hidrojen depolayabileceği görülmüştür. Bu deneysel sonuçlar BNNT’lerin KNT’lerden daha iyi hidrojen depolayabileceği  görülmüştür.
Şekİl 10 2003 yılında ilk sentezlendiğinde umut verici bir H_2depolama malzemesi olarak bulunan benzersiz bir başka materyal karbon nanoscroll (CNS) 22’dir. Saf karbon nanoscroller yeterince hidrojen depolayamasa da  alkali elemet katkısı ile hidrojen depolama uygulamaları için  uygun malzemeler olabilirler.

SONUÇ

Bu Literatür araştırmasında karbon nano tüplerinin hidrojen depolama uygulamasında önemli çalışmalar, farklı süreçlerin avantajları ve dezavantajları incelenmiştir.

Bu araştırma, hidrojen ile bağlantılı olarak KNT’lerin kullanımı konusunda yaygınlaştırmayı ve geliştirmeyi amaçlamaktadır.

Sonuçların çoğu, TDKNT’ler ve ÇDKNT’lerin hidrojen depolama kapasitesinin, oda sıcaklığında % 1’den daha az olduğunu, ancak adsorbsiyonun sıcaklığının azaltılmasında veya KNT’ler modifiye edilmesi durumunda hidrojen depolama kapasitenin, ağırlıkça % 4 ila 8 arasında arttırılabileceğini göstermiştir. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı’nın (DOE) 2015 yılı için hidrojen depolama kapasite hedefi ağırlıkça %9’dur. Ama halen DOE’nin 2010 hedefi olan %6’ya dahi ulaşılamamıştır. Ancak Karbon nanotüplerin üstün özellikleri nedeniyle araştırmalar devam etmektedir.

REFARANSLAR

[1] Simonyan V.V. ve Johnson J.K. (2002). Hydrogen Storage in Carbon  Nanotubes and Graphitic Nanofibers, Journal of Alloys and Compounds, 330–332, Sf. 659–665. [2] Nijkamp, M.G., Raaymakers, J.E., Van Dillen, A.J. ve Jong, K.P. (2001). Hydrogen Storage Using Physisorption-Materials Demands, Applied Physics A, Cilt 72, Sf. 619–623. [3] Yurum Y, Taralp A, Veziroglu TN. Storage of hydrogen in nanostructured carbon materials. Int J Hydrogen Energy 2009;34:3784–98. [4] Reddy ALM, Ramaprabhu S. Hydrogen adsorption properties of single-walled carbon nanotube – nanocrystalline platinum composites. Int J Hydrogen Energy 2008;33:1028–34. [5] Sankaran M, Viswanathan B. The role of heteroatoms in carbon nanotubes for hydrogen storage. Carbon 2006;44:2816–21.

Bu Literatür araştırması BURAK GÜN ile birlikte yapılmıştır.