تولید هیدروژن از آب با نور؛ پژوهشگران ماده‌ای تازه ساخته‌اند

پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورگن نوع جدیدی از مواد را ساخته‌اند که می‌تواند با استفاده از نور، هیدروژن را از آب تولید کند. این دستاورد می‌تواند راهی پاک‌تر برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت فراهم آورد.

این پژوهش به سرپرستی کیریاکوس استیلیانو از کالج علوم دانشگاه ایالتی اورگن انجام شده است. تیم او یک فوتوکاتالیست ساخته که توانایی تولید هیدروژن را با سرعت و بازده بالا دارد. هیدروژن کاربرد گسترده‌ای در پیل‌های سوختی خودروها دارد و همچنین در تولید آمونیاک، پالایش فلزات و ساخت پلاستیک به کار می‌رود.

استفاده از نور برای سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی

استیلیانو توضیح داد که کاتالیست ماده‌ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد، بدون آنکه در جریان واکنش به‌طور دائمی تغییر کند. فوتوکاتالیست نیز عملکرد مشابهی دارد، با این تفاوت که نور آن را فعال می‌کند. این ماده پس از جذب نور به وضعیت انرژی بالاتری می‌رسد و می‌تواند از این انرژی برای پیشبرد سریع‌تر واکنش‌های شیمیایی استفاده کند.

یافته‌های این تحقیق که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده، می‌تواند ابزار دیگری در اختیار دانشمندان قرار دهد تا انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند و با تغییرات اقلیمی مقابله کنند. تمرکز اصلی پژوهش‌های استیلیانو روی چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOFها قرار دارد؛ موادی بلوری و متخلخل که ساختارشان را می‌توان با دقت زیادی تنظیم کرد.

MOFها از یون‌های فلزی با بار مثبت تشکیل شده‌اند که مولکول‌های آلی موسوم به پیونددهنده آنها را احاطه کرده‌اند. منافذ بسیار ریز و ساختارهای قابل تنظیم این مواد به دانشمندان اجازه می‌دهد ویژگی‌های آنها را برای کاربردهای مختلف تغییر دهند.

استیلیانو گفت از نظر تئوری میلیون‌ها ساختار متفاوت برای MOFها امکان‌پذیر است. پژوهشگران حوزه شیمی تاکنون نزدیک به ۱۰۰ هزار نمونه از این ساختارها را در آزمایشگاه تولید کرده‌اند و ویژگی‌های حدود ۵۰۰ هزار ساختار دیگر نیز پیش‌بینی شده است.

پیوند غیرمعمول گوگردی عامل پیشبرد واکنش

در این مطالعه، پژوهشگران روی نوعی MOF با نام BVR-19 تمرکز کردند. این ماده دارای یک پیوند غیرمعمول گوگرد به گوگرد است که هنگام قرار گرفتن در معرض نور به‌طور موقت از هم گسسته می‌شود و گونه‌های بسیار واکنش‌پذیر گوگرد را به وجود می‌آورد.

استیلیانو درباره نقش بخش آلی ماده گفت

بخش آلی کار اصلی را انجام می‌دهد. به جای اینکه ماده ما عمدتاً به اتم‌های فلزی متکی باشد، از اجزای آلی حاوی گوگرد برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها به محل مورد نیاز جهت تولید هیدروژن استفاده می‌کند. این رویکرد، دیدگاه متفاوتی درباره نحوه طراحی این مواد ارائه می‌دهد.

به گفته استیلیانو، این روش باعث می‌شود BVR-19 به یک کاتالیست فلزی گران‌قیمت اضافی نیاز نداشته باشد. در نتیجه، سامانه‌های آینده برای تولید هیدروژن با استفاده از نور می‌توانند طراحی ساده‌تری داشته باشند.

این ماده یک مزیت احتمالی دیگر نیز دارد. BVR-19 به‌صورت خودبه‌خودی در محلول‌های آبی و در دمای اتاق تشکیل می‌شود و به همین دلیل انرژی مورد نیاز برای ساخت آن کاهش می‌یابد.

جایگزینی پاک‌تر برای روش سنتی تولید هیدروژن

تولید هیدروژن از طریق تجزیه آب با کمک کاتالیست می‌تواند نسبت به روش صنعتی غالب، گزینه پاک‌تری باشد. روش رایج کنونی بر گاز طبیعی متکی است.

این فرایند سنتی که اصلاح بخار متان نام دارد، هنگام تولید هیدروژن دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند. روش‌های موجود برای تولید هیدروژن از آب در بسیاری موارد به الکتروکاتالیز متکی هستند؛ فرایندی که برای پیشبرد واکنش کاتالیستی از برق استفاده می‌کند. مزیت زیست‌محیطی این روش تا حد زیادی به منبع تأمین برق بستگی دارد. برای آنکه این شیوه هم پایدار باشد و هم از نظر اقتصادی توان رقابت داشته باشد، برق مورد استفاده باید از منابع تجدیدپذیر کم‌هزینه تأمین شود.

در شرایط کنونی، تولید هیدروژن از طریق اصلاح بخار متان حدود ۱.۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارد، در حالی که هزینه هیدروژن سبز تقریباً ۵ دلار برای هر کیلوگرم برآورد می‌شود. استیلیانو که مدیریت آزمایشگاه کشف مواد دانشگاه ایالتی اورگن، موسوم به MaD Lab، را بر عهده دارد، درباره اهمیت این پژوهش گفت

کار ما الگویی برای طراحی مواد بهتر ارائه می‌دهد که می‌توانند هزینه تولید هیدروژن سبز را کاهش دهند. با تغییر فلز و حفظ تقریباً یکسان سایر بخش‌های ماده، دریافتیم چرا بعضی نسخه‌های MOF عملکرد بسیار بهتری نسبت به نمونه‌های دیگر دارند. این یافته‌ها قواعد طراحی تازه‌ای برای ساخت مواد مؤثرتر در تولید سوخت خورشیدی در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.