تولید هیدروژن پاک از آب با کمک نور خورشید و یک بلور جدید

گروه علمی و فناوری برنا/ پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورگن خانواده‌ای از مواد بلوری متخلخل را توسعه داده‌اند که می‌توانند با استفاده از نور هیدروژن را با سرعت و بازده بالا از آب تولید کنند. این دستاورد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای طراحی سامانه‌های ارزان‌تر تولید هیدروژن سبز و کاهش هزینه سوخت‌های پاک فراهم کند.

هیدروژن می‌تواند به‌عنوان سوخت در خودرو‌های مجهز به پیل سوختی مورد استفاده قرار گیرد اما روش تولید این سوخت نقش مهمی در میزان اثرگذاری آن بر محیط زیست دارد. در روش متداول تولید هیدروژن از گاز طبیعی فرایندی به نام ریفرمینگ بخار متان به کار گرفته می‌شود که پیش از رسیدن سوخت به مخزن خودرو دی‌اکسیدکربن تولید می‌کند.

آب نیز منبعی برای تامین هیدروژن است اما جداسازی اتم‌های هیدروژن از اکسیژن موجود در آب به انرژی نیاز دارد. تامین این انرژی از منابع پاک می‌تواند به تولید هیدروژن سبز منجر شود هرچند هزینه بالای انرژی و تجهیزات این روش را در مقایسه با روش‌های متداول مبتنی بر سوخت‌های فسیلی گران‌تر کرده است.

در همین راستا، کیریاکوس استیلیانو شیمیدان دانشگاه ایالتی اورگن و همکارانش خانواده‌ای از مواد را توسعه داده‌اند که با استفاده از نور می‌توانند هیدروژن را با سرعت و بازده بالا از آب تولید کنند. محور اصلی این پژوهش ماده بلوری متخلخلی به نام BVR-۱۹ است که ویژگی‌های آن در مواجهه با نور می‌تواند به طراحی سامانه‌های کارآمدتر برای تبدیل نور خورشید به سوخت کمک کند.

نتایج این پژوهش در مجله علمی Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.

فاصله قیمتی هیدروژن سبز با هیدروژن تولیدشده از گاز طبیعی

یکی از موانع اصلی گسترش استفاده از هیدروژن سبز هزینه تولید آن است. در حال حاضر می‌توان با عبور جریان الکتریکی از سامانه‌ای حاوی کاتالیزور هیدروژن را از آب استخراج کرد. این فرایند که الکتروکاتالیز نام دارد با کمک کاتالیزور سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد بدون آنکه خود کاتالیزور در جریان واکنش دچار تغییر شیمیایی دائمی شود.

میزان پایداری زیست‌محیطی این روش به منبع برق مورد استفاده وابسته است. اگر برق مصرفی از منابع تجدیدپذیر تامین شود می‌توان هیدروژن را با انتشار کربن بسیار کمتر تولید کرد. از سوی دیگر برای رقابت اقتصادی با هیدروژن حاصل از گاز طبیعی هزینه برق نیز باید پایین باشد.

استیلیانو با اشاره به اختلاف قابل‌توجه هزینه تولید هیدروژن در روش‌های مختلف اعلام کرده است که هزینه تولید هر کیلوگرم هیدروژن از طریق ریفرمینگ بخار متان حدود ۱.۵ دلار است، درحالی‌که هزینه تولید هر کیلوگرم هیدروژن سبز حدود ۵ دلار برآورد می‌شود.

کاهش این فاصله قیمتی می‌تواند پیامد‌هایی فراتر از صنعت خودرو داشته باشد. هیدروژن علاوه بر استفاده در خودرو‌های مجهز به پیل سوختی ماده اولیه مهمی در تولید آمونیاک، پالایش و تصفیه فلزات و ساخت محصولات پلاستیکی است. ازاین‌رو کاهش هزینه تولید هیدروژن پاک می‌تواند بر بخش‌های مختلف صنعت نیز تاثیر بگذارد.

انتخاب فلز عامل تعیین‌کننده در عملکرد ماده بلوری

ماده BVR-۱۹ به خانواده‌ای از ساختار‌های بلوری متخلخل تعلق دارد که با نام چارچوب‌های فلزی ـ آلی (Metal-Organic Frameworks یا MOFs) شناخته می‌شوند.

در ساختار این مواد مولکول‌های آلی یون‌های فلزی دارای بار مثبت را به یکدیگر متصل می‌کنند و شبکه‌ای با منافذی در مقیاس نانو به وجود می‌آورند. این ساختار متخلخل به پژوهشگران اجازه می‌دهد با تغییر نوع فلز یا اجزای آلی سازنده، ویژگی‌های مواد را تنظیم کنند و عملکرد آنها را برای کاربرد‌های مشخص بهبود دهند.

به گفته پژوهشگران تاکنون نزدیک به ۱۰۰ هزار چارچوب فلزی ـ آلی ساخته شده است و ویژگی‌های حدود ۵۰۰ هزار نمونه دیگر نیز پیش‌بینی شده‌اند. این ارقام در برابر میلیون‌ها ساختار بالقوه‌ای قرار دارند که می‌توان با ترکیب‌های متفاوت فلزات و اجزای آلی طراحی کرد.

گستردگی این خانواده از مواد فرصت قابل‌توجهی برای شناسایی ساختار‌هایی فراهم می‌کند که بتوانند نور را بهتر جذب کنند و واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای تولید سوخت را با بازده بالاتری پیش ببرند.

استیلیانو در توضیح اهمیت انتخاب فلز در ساختار این مواد گفت: با تغییر فلز و درعین‌حال ثابت نگه داشتن بخش‌های دیگر ماده، متوجه شدیم چرا برخی نسخه‌های این چارچوب فلزی ـ آلی بسیار بهتر از نسخه‌های دیگر عمل می‌کنند.

او افزود که یافته‌های این پژوهش اصول طراحی تازه‌ای برای ساخت مواد موثرتر در تولید سوخت خورشیدی ارائه می‌کنند.

نقش گوگرد در تبدیل نور به انرژی شیمیایی

یکی از ویژگی‌های مهم BVR-۱۹ نحوه واکنش آن به نور است. هنگامی که نور به این ماده می‌تابد پیوند میان دو اتم گوگرد به‌طور موقت شکسته می‌شود و گونه‌های فعال گوگردی به وجود می‌آیند.

این واکنش بخشی از سازوکار عملکرد ماده به‌عنوان یک فوتوکاتالیزور است. فوتوکاتالیزور‌ها موادی هستند که نور را جذب می‌کنند، به حالت انرژی بالاتری می‌روند و از انرژی جذب‌شده برای کمک به پیشبرد یک واکنش شیمیایی استفاده می‌کنند.

در این پژوهش بخش آلی ماده و اجزای حاوی گوگرد نقش مهمی در جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها ایفا می‌کنند فرایندی که برای تولید هیدروژن ضروری است.

استیلیانو درباره تفاوت این رویکرد با برخی روش‌های طراحی مواد فوتوکاتالیزوری توضیح داد: بخش آلی کار اصلی را انجام می‌دهد. ماده ما به‌جای اتکای عمده به اتم‌های فلزی از اجزای آلی حاوی گوگرد خود برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها به محل‌های مورد نیاز برای تولید هیدروژن استفاده می‌کند. این رویکرد شیوه متفاوتی برای اندیشیدن به نحوه طراحی این مواد ارائه می‌دهد.

به این ترتیب یافته‌های پژوهش نشان می‌دهد که در طراحی مواد فوتوکاتالیزوری برای تولید سوخت خورشیدی توجه به نقش اجزای آلی و نحوه تعامل آنها با نور می‌تواند به‌اندازه انتخاب فلز اهمیت داشته باشد.

حذف نیاز به کاتالیزور فلزی گران‌قیمت و تولید در دمای اتاق

یکی دیگر از ویژگی‌های مورد توجه پژوهشگران این است که BVR-۱۹ برای انجام این فرایند به یک کاتالیزور فلزی گران‌قیمت اضافی نیاز ندارد. به گفته استیلیانو حذف این نیاز می‌تواند ساختار سامانه‌های آینده تولید هیدروژن با استفاده از نور را ساده‌تر کند.

روش تهیه این ماده نیز مزیتی بالقوه دارد. BVR-۱۹ به‌صورت خودبه‌خودی در یک محلول آبی و در دمای اتاق تشکیل می‌شود. این ویژگی می‌تواند انرژی مورد نیاز برای سنتز ماده را کاهش دهد و از این نظر مزیتی در فرایند آماده‌سازی آن ایجاد کند.

بااین‌حال کاهش هزینه سنتز ماده و حذف نیاز به یک کاتالیزور گران‌قیمت به‌تنهایی به معنای ارزان شدن تولید صنعتی هیدروژن نیست. برای تحقق این هدف لازم است مزایای ماده در قالب یک سامانه تولیدی عملی و مقرون‌به‌صرفه به کار گرفته شوند.

گامی برای طراحی مواد کارآمدتر در تولید هیدروژن سبز

استیلیانو که مدیریت آزمایشگاه کشف مواد دانشگاه ایالتی اورگن موسوم به MaD Lab را برعهده دارد معتقد است یافته‌های این پژوهش می‌تواند راهنمایی برای طراحی مواد پیشرفته‌تر و کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز باشد.

او در این باره گفت: پژوهش ما الگویی برای طراحی مواد بهتر ارائه می‌دهد که می‌توانند هزینه هیدروژن سبز را کاهش دهند.

در صورت توسعه این فناوری و تبدیل آن به یک سامانه تولیدی اقتصادی می‌توان در آینده از چنین موادی برای تولید هیدروژن با استفاده از نور خورشید و آب بهره گرفت. بااین‌حال برای ارزیابی ظرفیت تجاری این فناوری باید عملکرد آن در مقیاس بزرگ‌تر و هزینه نهایی تولید سوخت بررسی شود.

منبع: ساینس دیلی

انتهای پیام/