Güneş ışığıyla sudan hidrojen üreten kristal: Sır, saçımızdaki kükürt bağında

Hidrojen, yandığında geriye yalnızca su bırakan bir yakıt. Ama bugün dünyada üretilen hidrojenin neredeyse tamamı doğal gazdan elde ediliyor ve bu süreç atmosfere bol miktarda karbondioksit salıyor. Bilim insanlarının hayali, hidrojeni doğrudan güneş ışığı ve sudan, bitkilerin fotosentezine benzer bir yolla üretmek. ABD'deki Oregon State Üniversitesi'nden kimyacılar bu hedefe giden yolda ilginç bir adım attı: Güneş ışığını yakalayıp sudan hidrojen çıkarabilen ve bunu yaparken pahalı metal katalizörlere ihtiyaç duymayan BVR-19 adlı gözenekli bir kristal geliştirdiler. Ekibin Journal of the American Chemical Society (JACS) dergisinde yayımlanan çalışmasının en dikkat çekici yanı, kristalde asıl işi metal atomlarının değil, saçımıza şeklini veren türden bir kükürt bağının yapması.

Metal-organik kafesler: Nobel getiren malzemeler

BVR-19, metal-organik kafes (İngilizce kısaltmasıyla MOF) denen bir malzeme ailesinin üyesi. MOF'lar, metal iyonlarının organik "bağlayıcı" moleküllerle birbirine bağlanmasıyla oluşan kristaller. Ortaya, iskele gibi düzenli ve içi nanometre boyutunda gözeneklerle dolu bir yapı çıkıyor. Bu gözenekler sayesinde bir gram MOF'un iç yüzey alanı bir futbol sahasıyla yarışabiliyor.

MOF'ları değerli kılan asıl özellik, adeta lego gibi tasarlanabilmeleri. Metali ya da bağlayıcı molekülü değiştirerek malzemenin gözenek boyutunu, kimyasal davranışını ve ışığa tepkisini ayarlamak mümkün. Bugüne kadar yaklaşık 100 bin farklı MOF sentezlendi, yarım milyon kadarının da kuramsal olarak var olabileceği hesaplanıyor. Bu malzemelerin temelini atan Susumu Kitagawa, Richard Robson ve Omar Yaghi, 2025 Nobel Kimya Ödülü'nü almıştı. MOF'lar bugün sudan nem toplamaktan karbondioksit yakalamaya kadar pek çok alanda araştırılıyor.

Bir amino asitten yapılan kristal

Oregon State Üniversitesi'nde Malzeme Keşif Laboratuvarı'nı (MaD Lab) yöneten kimyacı Kyriakos Stylianou'nun liderliğindeki, ilk yazarı Emmanuel Nyela Musa olan 18 kişilik ekip, BVR-19'u kurarken bağlayıcı olarak sıradışı bir molekül seçti: vücudumuzda da bulunan amino asit L-sistin. L-sistin, iki sistein molekülünün kükürt atomları üzerinden birbirine bağlanmasıyla oluşuyor. Aradaki bu kükürt-kükürt (disülfit) köprüsü, doğada sık rastlanan bir bağ. Örneğin saçın ve tırnağın yapısını oluşturan keratin proteinine sağlamlığını ve şeklini veren de bu bağlar. Kuaförlerde saç kalıcı olarak kıvrılırken aslında disülfit bağları kimyasal olarak koparılıp yeniden kuruluyor.

Ekip, L-sistini farklı iki değerlikli metal iyonlarıyla birleştirerek BVR-19-M adını verdiği bir kristal ailesi üretti. Malzemenin bir başka avantajı da üretiminin kolaylığı: Kristal, oda sıcaklığında, sulu bir çözeltide kendiliğinden oluşuyor. Bu, yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren pek çok katalizöre kıyasla üretim için çok daha az enerji anlamına geliyor.

Işıkla kopan, yükleri ayıran bağ

Bir fotokatalizörün işi özünde üç adımdan oluşuyor: ışığı soğurmak, bu enerjiyle elektronları yerinden oynatmak ve ayrılan elektronlarla sudaki hidrojen iyonlarını hidrojen gazına çevirmek. En büyük sorun ikinci adımda yaşanıyor: Işıkla ayrılan pozitif ve negatif yükler çoğu zaman bir an sonra yeniden birleşiyor ve enerji ısı olarak boşa gidiyor. Bu yüzden pek çok sistem, elektronları toplayıp tepkimeyi hızlandırmak için platin gibi pahalı ve nadir bir metalden yapılmış "yardımcı katalizöre" ihtiyaç duyuyor.

BVR-19'da ise farklı bir şey oluyor. Kristal ışık aldığında L-sistindeki disülfit köprüsü geçici olarak ikiye ayrılıyor. Kopan bağın bir ucunda tek elektronlu, son derece tepkin bir kükürt radikali, diğer ucunda negatif yüklü bir kükürt anyonu oluşuyor. Bu çift, yüklerin birbirinden ayrı tutulmasını sağlıyor ve hidrojen üretimini doğrudan yönlendiriyor. Kimyacılar bu sürece "bağlayıcı içi yük aktarımı" diyor. Sonuçta kristal, ek bir metal yardımcı katalizör olmadan ışıkla hidrojen üretebiliyor.

Stylianou, bulguyu özetlerken önemli işi organik bileşenin yaptığını vurguluyor: Malzeme ışığı yakalamak ve elektronları taşımak için ağırlıklı olarak metal atomlarına değil, kükürt içeren organik yapı taşlarına dayanıyor.

Çinko neden kazandı?

Çalışmanın belki de en öğretici kısmı, ekibin kristalin geri kalanını neredeyse aynı tutup yalnızca metali değiştirdiği karşılaştırmalar. Ailenin en etkin üyesi çinkolu sürüm, yani BVR-19-Zn çıktı. Bunun nedeni, çinkonun en dış d orbitallerinin tamamen dolu olması. Bu sayede çinko, ışıkla başlayan elektron trafiğine karışmıyor ve yükler bağlayıcının üzerinde kalıyor.

D orbitalleri kısmen boş olan "açık kabuklu" metaller ise iki şekilde sorun çıkarıyor. Ya yüklerin yeniden birleşip enerjinin boşa gittiği ara enerji düzeyleri yaratıyorlar ya da elektronları kendi üzerlerine çekip asıl işi yapan bağlayıcıdan uzaklaştırıyorlar. İki durumda da verim düşüyor. Stylianou'ya göre bu sonuçlar, güneş yakıtı üretecek yeni malzemeler için bir tasarım kılavuzu niteliği taşıyor: Metal, "seyirci" kalmalı, sahne organik bağlayıcıya bırakılmalı. Oregon State Üniversitesi, BVR-19 ve benzeri malzemelerin sentezi ile bu fotokataliz süreci için patent başvurusu da yaptı.

Neden önemli: Hidrojenin maliyet sorunu

Hidrojen bugün daha çok gübre üretiminde kullanılan amonyağın, rafinerilerin ve bazı sanayi süreçlerinin hammaddesi. Ama çeliğin karbonsuz üretiminden uzun mesafeli taşımacılığa kadar pek çok alanda geleceğin yakıtı olarak görülüyor. Sorun maliyette: Doğal gazdan üretilen ve karbondioksit salan "gri" hidrojenin kilogramı yaklaşık 1,5 dolara mal olurken, yenilenebilir elektrikle suyun elektrolizinden elde edilen "yeşil" hidrojen yaklaşık 5 dolar tutuyor. Uluslararası Enerji Ajansı'na göre dünyada üretilen hidrojenin yüzde birinden azı düşük emisyonlu yöntemlerle üretiliyor. Türkiye de Ocak 2023'te açıkladığı Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası ile elektrolizör kapasitesini 2030'a kadar 2, 2035'e kadar 5, 2053'e kadar 70 gigavata çıkarmayı ve yeşil hidrojenin kilogram maliyetini 2053'te 1,2 doların altına indirmeyi hedefliyor.

Elektroliz, ancak kullandığı elektrik kadar temiz ve ucuz. Fotokataliz ise elektrik üretme ve iletme adımını tamamen atlayarak güneş ışığını doğrudan kimyasal yakıta çevirmeyi vaat ediyor. Ucuz, kolay üretilen ve nadir metal gerektirmeyen bir fotokatalizör, bu denklemi değiştirebilir.

Yolun neresindeyiz?

Heyecan verici olsa da BVR-19 henüz bir laboratuvar keşfi. Üniversitenin duyurusu, malzemenin güneş ışığının yüzde kaçını hidrojene çevirdiğine, sürekli ışık altında ne kadar dayandığına ya da tepkimede elektron sağlayan yardımcı kimyasallara ihtiyaç duyup duymadığına dair rakam vermiyor. MOF'ların bir kısmının su ve ışık altında uzun süre kararlı kalmakta zorlandığı da biliniyor. Gerçek bir uygulama için bu soruların yanıtlanması gerekecek.

Alanın genel tablosu da sabır gerektirdiğini gösteriyor. Japon araştırmacılar 2021'de 100 metrekarelik fotokatalitik panellerle gerçek güneş ışığı altında hidrojen üretmiş, ama güneş enerjisinin yalnızca yüzde 0,76'sını hidrojene çevirebilmişti. ABD'li bir ekip 2023'te yoğunlaştırılmış ışık altında yüzde 9,2'lik bir laboratuvar rekoru kırdı. Alandaki değerlendirmelere göre fotokatalizin ticari olarak elektrolizle yarışabilmesi için yaklaşık yüzde 10 verimin aşılması ve bunun ucuz, dayanıklı malzemelerle yapılması gerektiğini söylüyor.

BVR-19'un katkısı tam da burada: Yeni bir rekor değil, yeni bir tasarım ilkesi. Işığı metal yerine organik bir bağla yakalayan ve yükleri o bağın kopmasıyla ayıran bu yaklaşım, ileride çok daha verimli ve ucuz kristallerin önünü açabilir. Stylianou'nun ifadesiyle çalışma, yeşil hidrojenin maliyetini düşürebilecek daha iyi malzemeler tasarlamak için bir yol haritası sunuyor.

Kaynaklar: Musa, E. N., Stylianou, K. C. ve ark., "Intraligand Charge Transfer in Metal-Organic Frameworks Facilitates Radical Anion-Mediated Hydrogen Evolution", Journal of the American Chemical Society 148(37): 40255, 2026 (DOI: 10.1021/jacs.6c13238); Oregon State Üniversitesi basın bülteni; ScienceDaily; Phys.org; Uluslararası Enerji Ajansı (IEA); ABD Enerji Bakanlığı.

Kapak fotoğrafı: İngiltere'de bir hidrojen dolum istasyonunda yakıt hücreli otomobiller. Bexim / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0