تولید هیدروژن از آب با نور؛ محققان ماده جدیدی را ایجاد کرده اند

محققان دانشگاه ایالتی اورگان نوع جدیدی از ماده را ابداع کرده اند که می تواند با استفاده از نور هیدروژن از آب تولید کند. این دستاورد می تواند راه پاک تری برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت ارائه دهد.

این تحقیق زیر نظر کیریاکوس استیلیانو از کالج علوم دانشگاه ایالتی اورگان انجام شد. تیم او فوتوکاتالیستی را توسعه داد که قادر به تولید هیدروژن با سرعت و کارایی بالا بود. هیدروژن به طور گسترده ای در پیل های سوختی خودروها استفاده می شود و همچنین در تولید آمونیاک، پالایش فلزات و ساخت پلاستیک استفاده می شود.

استفاده از نور برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی

استیلیانو توضیح داد که کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را بدون تغییر دائمی روند واکنش افزایش می دهد. یک فوتوکاتالیست عملکرد مشابهی دارد، با این تفاوت که نور آن را فعال می کند. این ماده پس از جذب نور به حالت انرژی بالاتری می رسد و می تواند از این انرژی برای پیشبرد سریعتر واکنش های شیمیایی استفاده کند.

یافته های این تحقیق که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، می تواند ابزار دیگری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و مقابله با تغییرات آب و هوایی در اختیار دانشمندان قرار دهد. تمرکز اصلی تحقیقات استیلیانو بر روی چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOF است. مواد کریستالی و متخلخلی که ساختار آنها با دقت زیادی قابل تنظیم است.

MOF ها از یون های فلزی با بار مثبت تشکیل شده اند که توسط مولکول های آلی شناخته شده به عنوان پیوند دهنده احاطه شده اند. منافذ بسیار ظریف و ساختارهای قابل تنظیم این مواد به دانشمندان این امکان را می دهد که خواص آنها را برای کاربردهای مختلف تغییر دهند.

استیلیانو گفت که از نظر تئوری میلیون ها ساختار مختلف برای MOF ها امکان پذیر است. محققان حوزه شیمی تاکنون نزدیک به 100000 نمونه از این ساختارها را در آزمایشگاه تولید کرده اند و مشخصات حدود 500000 ساختار دیگر نیز پیش بینی شده است.

یک پیوند گوگردی غیرمعمول یک محرک واکنش است

در این مطالعه، محققان بر روی نوعی MOF به نام BVR-19 تمرکز کردند. این یک پیوند غیرمعمول گوگرد به گوگرد دارد که با قرار گرفتن در معرض نور به طور موقت از هم جدا می شود و گونه های گوگرد بسیار واکنش پذیر را تشکیل می دهد.

استیلیانو در مورد نقش بخش آلی ماده گفت:

قسمت ارگانیک کار اصلی را انجام می دهد. به جای اینکه مواد ما عمدتاً به اتم های فلز متکی باشد، از اجزای آلی حاوی گوگرد برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون ها به محل مورد نیاز برای تولید هیدروژن استفاده می کند. این رویکرد دیدگاه متفاوتی در مورد نحوه طراحی این مواد ارائه می دهد.

به گفته استیلیانو، این روش باعث می شود BVR-19 به کاتالیزور فلزی گران قیمت اضافی نیاز نداشته باشد. در نتیجه، سیستم های آینده برای تولید هیدروژن با استفاده از نور می توانند طراحی ساده تری داشته باشند.

این ماده یک مزیت احتمالی دیگر نیز دارد. BVR-19 به طور خود به خود در محلول های آبی در دمای اتاق تشکیل می شود، بنابراین انرژی مورد نیاز برای ساخت آن کاهش می یابد.

جایگزینی تمیزتر برای روش سنتی تولید هیدروژن

تولید هیدروژن از طریق تقسیم آب با کمک کاتالیزور می تواند گزینه تمیزتری نسبت به روش صنعتی رایج باشد. روش رایج فعلی بر گاز طبیعی متکی است.

این فرآیند سنتی که به نام رفرمینگ بخار متان نامیده می شود، دی اکسید کربن را در حین تولید هیدروژن آزاد می کند. روش های موجود برای تولید هیدروژن از آب در بسیاری از موارد به الکتروکاتالیز متکی است. فرآیندی که از الکتریسیته برای انجام یک واکنش کاتالیزوری استفاده می کند. منافع زیست محیطی این روش تا حد زیادی به منبع تامین برق بستگی دارد. برای اینکه این روش پایدار و رقابتی باشد، برق مصرفی باید از منابع تجدیدپذیر کم هزینه تامین شود.

در حال حاضر، تولید هیدروژن از طریق رفرمینگ بخار متان حدود 1.50 دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارد، در حالی که هزینه هیدروژن سبز تقریباً 5 دلار در هر کیلوگرم تخمین زده می شود. استیلیانو، مدیر آزمایشگاه کشف مواد دانشگاه ایالتی اورگان، آزمایشگاه MaD، در مورد اهمیت این تحقیق گفت.

کار ما مدلی برای طراحی مواد بهتر ارائه می دهد که می تواند هزینه تولید هیدروژن سبز را کاهش دهد. با تغییر فلز و حفظ سایر قسمت های مواد تقریباً یکسان، می بینیم که چرا برخی از نسخه های MOF بسیار بهتر از سایرین عمل می کنند. این یافته ها قوانین طراحی جدیدی را برای ساخت مواد موثرتر در تولید سوخت خورشیدی در اختیار محققان قرار می دهد.