تولید هیدروژن از آب در حضور نور خورشید با استفاده فناوری نانو

به گزارش خدمت؛ هم‌اکنون بیش از ۸۵ درصد تولید و مصرف انرژی در دنیا، مبتنی بر انرژی‌های تجدیدناپذیر، نظیر سوخت‌های فسیلی است. یکی از محصولات احتراق سوخت‌های فسیلی، گاز دی‌اکسیدکربن است که منجر به بروز مشکلات محیط زیستی، از جمله گرمایش زمین خواهد شد. با توجه به محدود بودن این منابع سوختی و معایب ناشی از مصرف آن‌ها، توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر و بی‌پایان، نظیر انرژی خورشیدی، از اهمیت بالایی برخوردار شده‌ است.

به گفته‌ دکتر عمران مرادلو -عضو هیأت علمی دانشگاه الزهرا- هیدروژن یکی از حامل‌های انرژی پاک است که می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. این سوخت پاک می‌تواند افزون بر استفاده به‌عنوان سوخت، در خودروهای هیدروژنی و الکتریکی مبتنی بر پیل‌های سوختی، در صنایع دیگر، از جمله صنعت برق و نیروگاه‌های سیکل ترکیبی، به‌عنوان خنک کننده‌ ژنراتورها، در تولید آمونیاک و یا در هیدروژناسیون ترکیبات غیر اشباع هیدروکربنی به‌کار گرفته شود.

وی در ادامه، به معرفی تحقیق انجام شده پرداخت و عنوان کرد: مهم‌ترین نکته در تولید هیدروژن، کاربرد روش‌های کاملاً سازگار با محیط زیست است تا بتوان هیدروژن را به‌عنوان سوخت پاک مطرح کرد؛ یکی از این روش‌ها، روش فتوالکتروشیمیایی است که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است.

وی ادامه داد: در این روش، هیدروژن را می‌توان با استفاده از شکافت آب بر روی یک فتوالکتروکاتالیست مناسب و از طریق برخورد نور خورشید بر سطح کاتالیست تولید کرد. بدین منظور، در پژوهش اخیر، نانوفتوالکتروکاتالیستی از اکسید آهن(هماتیت) و نقاط کوانتومی کربن طراحی و جهت تولید هیدروژن استفاده شده است.

مرادلو در مورد دلیل انتخاب هماتیت به‌عنوان کاتالیست و اصلاح آن توسط نقاط کوانتومی گفت: هماتیت ترکیب ارزانی است، ولی بازدهی آن پایین است؛ لذا، ما با استفاده از نقاط کوانتومی کربن، اقدام به نانوساختارسازی هماتیت با سنتز هماتیت-نقاط کوانتومی کربن(CQD@α-Fe۲O۳) کردیم. این عمل باعث کاهش اندازه‌ی ذرات هماتیت، غلبه بر محدودیت طول نفوذ کم حامل‌های بار درون ساختار هماتیت و در نهایت افزایش ده برابری بازدهی آن شده‌ است.

به گفته‌ این محقق، با توجه به نتایج حاصل شده، به‌نظر می‌رسد نانوساختارسازی، راهکار بسیار مناسبی برای افزایش بازدهی فتوالکتروکاتالیستی هماتیت است.

مرادلو با اشاره به این‌که پژوهش اخیر در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده‌ است، اقدامات لازم جهت تجاری‌سازی این طرح را بدین شرح بیان کرد: البته به‌دلیل پایداری مناسب و بازدهی قابل قبول فتوالکتروکاتالیست سنتز شده، با طراحی رآکتورهای مناسب می‌توان این طرح را در مقیاس پایلوت نیز اجرا کرد.

وی خاطر نشان کرد: منتها باید در نظر داشت که در کل، یکی از محدودیت‌های مهم هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی پاک، ذخیره‌سازی آن است؛ از این‌رو تجاری‌سازی تولید هیدروژن جهت کاربردهای سوختی، با رفع این نوع محدودیت‌ها امکان‌پذیر است. به همین دلیل است که گروه‌های تحقیقاتی زیادی در کشورهای توسعه‌یافته، نظیر آلمان، بر روی این موضوع در حال انجام طرح‌های عظیم تحقیقاتی هستند.

وی افزود: در این طرح، برای مشخصه یابی فتوالکتروکاتالیست سنتز شده‌ هماتیت-کربن کوانتوم دات(CQD@α-Fe۲O۳) از روش‌هایی نظیر FE-SEM، HRTEM، XRD و XPS استفاده شده‌است؛ همچنین برای بررسی رفتار فتوالکتروشیمیایی و میزان هیدروژن تولیدی بر روی فتوالکتروکاتالیست، از آزمون‌های الکتروشیمیایی، نظیر ولتامتری، آمپرومتری و امپدانس الکتروشیمیایی استفاده شده است.

این محقق خاطر نشان کرد: این نانوفتوالکتروکاتالیست که از ماده‌ ارزان قیمت اکسید آهن(هماتیت) تهیه شده است، پایداری بالایی دارد و قابلیت تولید هیدروژن، بدون تغییر محسوس در بازدهی آن، طی ساعت‌ها انجام فرآیند را دارد.

این تحقیقات، حاصل تلاش‌های دکتر عمران مرادلو -عضو هیأت علمی گروه شیمی دانشگاه الزهرا- زینب ربیعی -کارشناس ارشد شیمی تجزیه از این دانشگاه- و همکارانشان از دانشگاه حکیم سبزواری و دانشگاه صنعتی تگزاس آمریکا است.

نتایج این‌کار در مجله‌ Applied Catalysis B: Environmental با ضریب تأثیر ۹/۴۵(جلد ۲۲۷، سال ۲۰۱۸، صفحات ۱۷۸ تا ۱۸۹) منتشر شده است.

_{^{منبع: مهر}}