دانشمندان دانشگاه ایالتی اورگن (Oregon State University) خانواده جدیدی از مواد را ابداع کرده‌اند که با استفاده از نور، از آب هیدروژن تولید می‌کنند و می‌توانند راه را برای روش‌های نوین تبدیل پرتوهای خورشید به انرژی پاک هموار سازند.
تولید هیدروژن با فوتوکاتالیست‌های جدید
در جریان یک همکاری به سرپرستی کریاکس استیلیانو (Kyriakos Stylianou) از دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگن، فوتوکاتالیستی ساخته شد که امکان تولید سریع و کارآمد هیدروژن را فراهم می‌کند. هیدروژن در پیل‌های سوختی خودروها، تولید مواد شیمیایی متعدد از جمله آمونیاک، پالایش فلزات و ساخت پلاستیک کاربرد دارد.
بیشتر بخوانید: ScratchJr، ابزار آموزش برنامه‌نویسی برای کودکان طراحی شد
استیلیانو گفت: کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد؛ بدون آن که خود دچار تغییر شیمیایی دائمی شود. فوتوکاتالیزورها برای رسیدن به تراز انرژی بالاتر، نور را جذب می‌کنند و می‌توانند از آن انرژی برای سرعت بخشیدن به واکنش‌ها بهره ببرند.
چارچوب‌های فلزی-آلی و مزایای آن‌ها
استیلیانو که پژوهش‌هایش بر مواد کریستالی و متخلخل موسوم به «چارچوب‌های فلزی-آلی» (MOFs) متمرکز هستند، ادامه داد: این یافته‌ها روش جدید و بالقوه‌ای را برای مقابله با انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییرات اقلیمی معرفی می‌کنند. چارچوب‌های فلزی-آلی که از یون‌های فلزی با بار مثبت احاطه‌شده توسط مولکول‌های آلی پیونددهنده تشکیل شده‌اند، منافذی در اندازه نانو و ویژگی‌های ساختاری قابل تنظیم دارند.
این مواد را می‌توان با اجزای متنوعی که ویژگی‌هایشان را تعیین می‌کنند، طراحی کرد و میلیون‌ها چارچوب فلزی-آلی احتمالی وجود دارد. پژوهشگران در این پروژه با یک چارچوب فلزی-آلی به نام «BVR-۱۹» کار کردند که دارای ویژگی ساختاری متمایزی است. این ویژگی، پیوند سولفید-به-سولفید است که در اثر تابش نور دچار گسست موقت می‌گردد و به تشکیل گونه‌های گوگردی واکنش‌پذیر منجر می‌شود.
استیلیانو گفت: بخش آلی، کار اصلی را انجام می‌دهد. ماده ما به‌جای تکیه عمده بر اتم‌های فلزی، از واحدهای سازنده آلی حاوی گوگرد برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها به محل‌های موردنیاز جهت تولید هیدروژن استفاده می‌کند. این روش، شیوه متفاوتی را از تفکر درباره نحوه طراحی این مواد نشان می‌دهد.
مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی
استیلیانو خاطرنشان کرد: نیازی به کاتالیزور فلزی گران‌قیمت اضافی نیست و همین امر می‌تواند طراحی سامانه‌های آینده برای تولید هیدروژن با نیروی نور را ساده‌تر کند. همچنین، BVR-۱۹ به طور خودبه‌خودی در محلول‌های آبی و در دمای اتاق تشکیل می‌شود که این ویژگی، مزیت انرژی قابل‌توجهی به آن می‌بخشد.
وی افزود: تولید هیدروژن از طریق تجزیه آب به روش کاتالیزوری، در مقایسه با روش متداول استخراج هیدروژن از گاز طبیعی که طی فرآیندی موسوم به «ریفورمینگ بخار-متان» به تولید کربن دی‌اکسید منجر می‌شود، روشی پاک‌تر است. فرآیندهای کاتالیزوری کنونی برای تولید هیدروژن از آب شامل الکتروکاتالیز (عبور جریان الکتریسیته از میان کاتالیزور) هستند.
پایداریِ الکتروکاتالیز به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر وابسته است و برای آن که این روش در بازار رقابت‌پذیر باشد، انرژی باید ارزان‌قیمت باشد. فرآیند اصلاح متان با بخار در حال حاضر هیدروژن را با هزینه‌ای حدود ۱.۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم تولید می‌کند؛ در حالی که هزینه تولید هیدروژن سبز حدود پنج دلار به ازای هر کیلوگرم است.
استیلیانو گفت: پژوهش ما الگویی برای طراحی مواد کارآمدتر ارائه می‌دهد که می‌تواند هزینه تولید هیدروژن سبز را کاهش دهد. ما با تغییر فلز و در عین حال، ثابت نگه داشتن تقریباً یکسان سایر اجزای ماده دریافتیم که چرا عملکرد برخی از انواع چارچوب آلی-فلزی بسیار بهتر از انواع دیگر است. این یافته‌ها اصول طراحی جدیدی را برای ساخت مواد کارآمدتر جهت تولید سوخت خورشیدی فراهم می‌آورند.
بیشتر بخوانید: آموزش گام‌به‌گام کار با میدجرنی برای تولید تصویر · پای ال‌نینو به جنوب کشور باز شد: تغییرات اقلیمی در انتظار ماست
