Aynı organik tabaka hem hidrojen hem oksijen üretiyor: Suyu güneşle ayıran ilk organik levha

Güneş ışığıyla sudan hidrojen elde etmenin en sade yolu, ışığı yakalayan malzemeyi doğrudan suya batırmak. İsviçre'nin Lozan kentindeki Federal Teknoloji Enstitüsü'nde (EPFL) çalışan bir ekip, bu yolda ilk kez plastik benzeri organik yarı iletkenlerden yapılmış bir "fotokatalizör levha" üretti. Nature Energy dergisinde 11 Kasım 2026'da yayımlanan çalışmanın en dikkat çekici yanı, levhanın tek bir ışık soğurucu tabakadan oluşması: Aynı film, altına serilen birkaç nanometrelik molekül katmanına göre bir bölgede hidrojen, hemen yanındaki bölgede oksijen üretiyor. Kablo yok, dışarıdan gerilim yok; yapay güneş ışığı altında su 2 saat boyunca hidrojen ve oksijene ayrıldı. Verim henüz çok düşük, yüzde 0,1 dolayında. Ama araştırmacılar, ucuz ve kolay basılabilen malzemelerle güneş hidrojeni üretmenin yeni bir tasarım yolunu gösterdiklerini düşünüyor.

Neden "levha"?

Suyu güneşle doğrudan ayırmanın iki klasik yolu var. Birincisi fotoelektrokimyasal hücre: Biri hidrojen, diğeri oksijen üreten iki ayrı ışık emici elektrot suya daldırılır ve bir kabloyla birbirine bağlanır. Bu düzen verimli olabilir ama alan büyüdükçe kablolardaki ve sıvıdaki direnç kayıpları artar, çok elektrotlu yapı maliyeti yükseltir. İkincisi toz fotokatalizörler: Hidrojen ve oksijen üreten iki ayrı parçacık türü suda karıştırılır. Bu kez de parçacıklar arasında elektron taşıyacak çözünmüş "aracı" kimyasallar gerekir; bunlar ışığın bir kısmını boşa soğurur, üretilen gazların bir kısmı da geri tepkimeye girer.

Fotokatalizör levha bu ikisinin ortasında duruyor: İki tür ışık emici, aynı iletken taban üzerine yan yana dizilir, elektronlar aradaki kısa mesafeyi doğrudan tabandan geçerek katederler. Kavramın öncüsü, Japonya'da Kazunari Domen'in ekibi. Ekip 2016'da Nature Materials'da altın kaplı bir taban üzerinde inorganik parçacıklarla yüzde 1,1'lik verime ulaşmış, 2021'de Nature'da ise 100 metrekarelik bir panel dizisini aylarca açık havada çalıştırmıştı. O dev panel gerçek güneşte en fazla yüzde 0,76 verim gösterdi ve yazarların kendi ifadesiyle enerji dengesi henüz eksideydi; yine de güvenli, büyük ölçekli üretimin mümkün olduğunu kanıtladı. Sorun şu ki inorganik parçacıkları çalışan bir levhaya dönüştürmek, özel aktarım teknikleri isteyen zahmetli bir iş.

Organik yarı iletkenlerin vaadi

Organik yarı iletkenler, karbon temelli ve elektronları uzun zincirler boyunca paylaşan moleküller ya da polimerler. Esnek güneş hücrelerinde ve ışık algılayıcılarda zaten kullanılıyorlar. Işığı çok iyi soğurmaları, çözelti halinde mürekkep gibi kaplanabilmeleri ve moleküler düzeyde kimyasal değişikliklerle özelliklerinin ayarlanabilmesi en büyük avantajları. İnorganik yarı iletkenlerin çoğu ise yüksek sıcaklıkta, enerji harcanarak sentezleniyor; bant aralıkları genişçe ve sabit olduğu için güneş tayfının ancak bir kısmını kullanabiliyorlar.

Çalışmanın son yazarı ve proje yürütücüsü, EPFL'deki Optoelektronik Nanomalzemelerin Moleküler Mühendisliği Laboratuvarı'nın (LIMNO) başındaki Prof. Kevin Sivula. Ekip yıllardır bu malzemelerle su ayrıştırma üzerinde çalışıyor; 2022'de, kablolu iki organik elektrottan oluşan bir tandem hücreyle yardımsız su ayrıştırmayı yüzde 0,3 verimle göstermişti. Ancak organik bir fotokatalizör levha, bu yeni makaleye kadar hiç yapılamamıştı. Makalenin eşit katkılı ilk yazarları Nicolas Diercks ve Jin Su Park; çalışmaya EPFL'nin Fotonik Malzemeler ve Lif Aygıtları Laboratuvarı ile Güney Kore'deki Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (UNIST) de katıldı.

Sır, alttaki tek molekül katmanında

Ekibin ışık soğurucusu, iki polimerin karışımından oluşan bir film: elektron veren PBDTTTPD ile elektron alan PNDIHDT. Organik güneş hücrelerinden tanıdık bu "karışık eklem" (bulk heterojunction) yapısında iki polimer birbirine iç içe geçmiş ağlar oluşturur; ışık bir elektron ile onun bıraktığı pozitif boşluğu, yani "deliği" ayırır. Bu iki yükün hangisinin aşağıya, hangisinin yukarıya gideceğine ise karar veren bir şey gerekir.

Araştırmacılar bu kararı, filmin altına, flor katkılı kalay oksit (FTO) kaplı saydam cam tabanın üzerine serdikleri tek katmanlık moleküllere bıraktı. Fosfonik asit "çapaları" sayesinde tabana tutunan iki molekül seçtiler: karbazol gruplu 2PACz ve ekibin kendi sentezlediği naftalimid gruplu NI-PA. İki molekülün elektriksel kutuplanması, yani dipolü, ters yönlere bakıyor. 2PACz delikleri tabana çekiyor, böylece elektronlar filmin üst yüzeyine çıkıp suyu indirgeyerek hidrojen üretiyor; film bu bölgede bir "fotokatot" gibi davranıyor. NI-PA ise elektronları tabana çekiyor, delikler yüzeye çıkıyor ve suyu yükseltgeyerek oksijen açığa çıkarıyor; film burada "fotoanot" oluyor. Katalizörlerle donatılmış tekil elektrotlarda 2PACz'li olan 0 voltta (tersinir hidrojen elektroduna göre) santimetrekare başına 4,1 miliamper, NI-PA'lı olan ise 1,23 voltta 2,7 miliamper akım üretti. İki akımın belirli bir gerilim aralığında örtüşmesi, kablosuz bir levhanın çalışabileceğinin ilk işaretiydi.

Kablosuz, gerilimsiz su ayrıştırma

Levhayı kurmak için iki molekülün tabana desen halinde basılması gerekiyordu. Ekip, silikon kauçuktan (PDMS) yapılmış küçük "mühürlerle" önce 2PACz'yi yuvarlak noktalar halinde tabana bastı, boşta kalan alanları NI-PA ile doldurdu. Desenin, üstüne kaplanan polimer filmin içinden bile "hissedildiği" görüldü: Işık yardımıyla biriktirilen platin katalizör, kendiliğinden yalnızca 2PACz alanlarının üstünde toplandı. Oksijen tarafı için yüzeyin tamamına bir polimer (PTAA) ve lityumlu iridyum oksit nanoparçacıkları püskürtüldü; gözenekli bu katman, suyun alttaki platine ulaşmasına da izin veriyor.

Sonuç, çapı 1 milimetre olan alanlardan oluşan bir levha oldu. Laboratuvarda standart güneş ışığını taklit eden bir lamba altında, pH 9 olan tuzlu suda, herhangi bir dış gerilim uygulanmadan çalıştırıldığında levha ilk 30 dakikalık oturma süresinden sonra her santimetrekarede saatte 1,3 mikromol hidrojen üretti. Gaz kromatografisiyle ölçülen hidrojen-oksijen oranının 2'ye 1 çıkması, suyun gerçekten iki bileşenine ayrıldığını gösteriyor. Birden çok cihazın ortalamasıyla güneşten hidrojene enerji dönüşüm verimi (STH) yüzde 0,1 oldu. Karşılaştırma için yapılan denetim deneyleri de önemli: Yalnızca 2PACz'li ya da yalnızca NI-PA'lı levhalar dışarıdan gerilim olmadan ölçülebilir hiçbir gaz üretmedi. İki bölgeye birden ihtiyaç var.

Neden şimdilik yalnızca yüzde 0,1?

EPFL'nin duyurusu da verimin pratik uygulama için henüz çok düşük olduğunu açıkça kabul ediyor. Makale, sınırlayan etkenleri de ortaya koyuyor. İlki kararlılık: Üretim hızı, 30. dakikadaki değerden 120. dakikada santimetrekarede saatte 0,72 mikromole geriledi, yani bir buçuk saatte yaklaşık yüzde 45 düştü. Levha 2 saatin sonunda hâlâ çalışıyordu, ancak daha uzun süreli bir test sonucu açıklanmadı. Testler 0,25 santimetrekarelik bir etkin alanda yapıldı; daha büyük bir levha denenmedi.

İkinci sınır, alanların boyutu. Hesaplara göre hidrojen ve oksijen alanları ne kadar küçük olursa iyonlar sıvıda o kadar kısa yol kat eder ve büyük levhalarda kayıplar o kadar azalır. Ama ekip alanları 100 ve 10 mikrometreye küçülttüğünde verim belirgin biçimde düştü; makaledeki grafiğe göre 100 mikrometrede yaklaşık yüzde 0,01'e, 10 mikrometrede daha da aşağıya indi. Nedeni, iki farklı molekül katmanının buluştuğu sınırlarda yüklerin doğru yöne yeterince hızlı çekilememesi ve yeniden birleşerek boşa gitmesi. Alan küçüldükçe bu sınır bölgelerinin payı artıyor. Ekip, daha kolay ölçeklenebilecek bir yöntem olarak molekül desenini ultrasonik püskürtmeyle de oluşturdu; 30–50 mikrometrelik damlalarla yapılan bu levha da suyu ayırdı ama verimi yüzde 0,01'de kaldı. Araştırmacılar damla boyutunu milimetre ölçeğine büyütmenin verimi yükseltebileceğini düşünüyor.

Öte yandan malzemenin kuramsal tavanı yüksek: Yazarların hesabına göre bu polimer karışımıyla ideal koşullarda yüzde 11,1, güneş ışığının daha geniş bir bölümünü soğurabilen, bant aralığı daha dar bir karışımla yüzde 16–17 verim mümkün. Yani bugünkü sonuç ile ulaşılabilecek sınır arasında yüz kattan fazla fark var.

Yeşil hidrojen yarışında nerede duruyor?

Bugün güneşten hidrojen üretmenin en olgun yolu, güneş panellerinden alınan elektrikle suyu elektrolizörde ayırmak. Bu yolla laboratuvarda, yoğunlaştırılmış ışık altında yüzde 30 verime ulaşıldı (2016, Nature Communications). Doğrudan fotokatalizde de rekorlar yükseliyor: ABD'li bir ekip 2023'te Nature'da, indiyum galyum nitrür bir fotokatalizörle yoğunlaştırılmış ışık ve yaklaşık 70 °C sıcaklıkta yüzde 9,2 bildirdi. Ancak yazarların da hatırlattığı gibi panel-elektroliz sistemlerinin maliyeti ve karmaşıklığı, fosil yakıtlardan üretilen hidrojenle rekabeti zorlaştırıyor. Doğrudan su ayrıştıran levhaların vaadi, verimi düşük olsa bile çok daha basit ve ucuz bir düzenek.

Hidrojenin büyük bölümü hâlâ fosil yakıtlardan geliyor. Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) Haziran 2026'da yayımlanan Küresel Hidrojen Raporu'na göre dünyada 2025'te talep 100 milyon tonu aştı; düşük emisyonlu yöntemlerle üretilen hidrojen yüzde 20 artarak 1 milyon tona yaklaştı ve 2026'da ilk kez toplam üretimin yüzde 1'ini geçmesi bekleniyor. Dünyada kurulu elektrolizör gücü de 2025'te ikiye katlanarak 4 gigavata çıktı. Türkiye, Ocak 2023'te açıkladığı Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası'nda elektrolizör kapasitesini 2030'a kadar 2, 2035'e kadar 5, 2053'e kadar 70 gigavata çıkarmayı hedefliyor.

Ölçeği somutlaştırmak için kaba bir hesap yaptık. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı'nın Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası'na göre Türkiye'de bir metrekareye yılda ortalama 1.527 kilovatsaat güneş enerjisi düşüyor. Bir kilogram hidrojenin taşıdığı kimyasal enerji yaklaşık 32,7 kilovatsaat olduğundan, yüzde 0,1 verimli bir levha metrekare başına yılda en iyi ihtimalle 47 gram hidrojen üretebilir. Bu, bir futbol sahası büyüklüğündeki alan için yılda kabaca 330 kilogram demek. Aynı levha kuramsal sınırına ulaşabilseydi metrekareden yılda 5 kilogramdan fazla hidrojen alınabilirdi. Bu hesap sıcaklık, açı ve zamanla düşen verim gibi kayıpları içermiyor; yalnızca büyüklük sırası vermek için.

Bu tablo, alandaki diğer güncel çalışmalarla birlikte okunmalı. Kasım başında haberini verdiğimiz güneş ışığıyla hidrojen üreten BVR-19 kristali de pahalı metallere bağımlılığı azaltmayı hedefleyen bir malzeme tasarımıydı. EPFL'nin levhası ise farklı bir soruya yanıt arıyor: Işık soğurucu tek bir ucuz malzemeyi, basit bir baskı yöntemiyle hem hidrojen hem oksijen üreten bir yüzeye dönüştürmek mümkün mü? Cevap, şimdilik küçük ölçekte "evet".

Sırada ne var?

Yazarlar bir sonraki adımları da sıralıyor. İlki, organik güneş hücrelerinde yüksek verim sağlayan ve güneş tayfının kızılötesine yakın kısmını da yakalayan, bant aralığı dar "alıcı" moleküllerini karışıma eklemek; bunlar hem verimi hem de filmin iç yapısının zamanla bozulmamasını iyileştirebilir. İkincisi, alan sınırlarındaki yük kaybını azaltacak daha güçlü yük seçici moleküller ya da daha ince desen teknikleri geliştirmek. Üçüncüsü, oksijen tarafındaki katalizörü tüm yüzeye değil yalnızca kendi alanlarına seçici biçimde yerleştirmenin bir yolunu bulmak ve iki yarı tepkimenin dayanıklılığını artırmak. Organik malzemelerin karmaşık iç yapısı ve inorganik katalizörlerle uyumu da çözülmesi gereken genel sorunlar arasında.

Yüzde 0,1'lik verim ve iki saatlik ömür, bu levhanın yakın zamanda çatılara ya da hidrojen tesislerine taşınmayacağını gösteriyor. Ancak fotokatalizör levha fikri bugüne kadar yalnızca inorganik tozlarla, zahmetli üretim adımlarıyla hayata geçirilebiliyordu. EPFL ekibinin gösterdiği şey, mürekkep gibi kaplanabilen tek bir organik filmin, altındaki birkaç nanometrelik moleküler "yön tabelası" sayesinde iki ayrı işi birden yapabileceği. Güneş hücrelerinde organik malzemelerin son yıllarda kat ettiği yol düşünüldüğünde, bu tasarım ilkesinin önümüzdeki yıllarda ne kadar ileri taşınabileceği merakla izlenecek.

Kaynaklar: Diercks N.J., Park J.S., Yum J.-H., Meng Y., Bouchez A.E., Sorin F., Cho H.-H., Sivula K., "An organic semiconductor-based photocatalyst sheet for overall solar-driven water splitting", Nature Energy (11 Kasım 2026), DOI 10.1038/s41560-026-02160-0; EPFL LIMNO laboratuvarı duyurusu "A New Organic Approach to Artificial Photosynthesis" (11 Kasım 2026); TechXplore (11 Kasım 2026); Zhang D., …, Sivula K., Advanced Energy Materials 12:2202363 (2022); Wang Q. ve ark., Nature Materials 15:611 (2016); Nishiyama H. ve ark., Nature 598:304 (2021); Zhou P. ve ark., Nature 613:66 (2023); Jia J. ve ark., Nature Communications 7:13237 (2016); IEA Global Hydrogen Review 2026 basın duyurusu (Haziran 2026); T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası (GEPA) ve Hidrojen Teknolojileri Stratejisi ve Yol Haritası (2023). Yıllık hidrojen ve futbol sahası değerleri bilimveteknoloji.com'un kaba hesabıdır.

Kapak fotoğrafı: Ticari esnek polimer (organik) güneş hücresi; Merck'in Darmstadt'taki malzeme araştırma merkezinin açılışı öncesindeki basın toplantısında, 23 Eylül 2010. Armin Kübelbeck / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 (kırpıldı).