علمی، پژوهشی و فناوری

ابداع ماده جدیدی که آب و نور خورشید را به هیدروژن سبز تبدیل می‌کند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورگان در آمریکا فوتوکالیستی ساخته اند که تولید هیدروژن را با سرعت و بازدهی بازدهی بالا امکان پذیر می‌کند.

این فوتوکالیست بر پایه مواد متخلخل متخلخل و کریستالی به نام چارچوب‌های آلی فلزی، که معمولا به اختصار MOFs نامیده می‌شوند، ساخته شده و ابزار بالقوه جدیدی برای مقاله با انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و تغییرات اقلیم خواهد بود.

در این مطالعه، پژوهشگران از یک MOF برای استخراج یک اتصال ناهمگون اکسید فلز - ترکیبی از دو ماده با خواص مکمل - برای ساخت کاتالیزوری استفاده کردند که وقتی در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، آب را به سرعت و کارآمد به هیدروژن تقسیم می‌کند.

این پیوند ناهمگون که RTTA خوانده می‌شود، دارای اکسید روتنیوم و اکسید تیتانیوم مشتق شده از MOF است که با گوگرد و نیتروژن دوپ شده است. محققان چندین RTTA را با مقادیر مختلف اکسید آزمایش کرده و دریافتند RTTA-۱، با کمترین میزان اکسید روتنیم، سریع‌ترین میزان تولید هیدروژن و بازده کوانتومی بالا را نشان داد.

فقط در یک ساعت، یک گرم RTTA-۱ توانست بیش از ۱۰ هزار و ۷۰۰ میکرومول هیدروژن تولید کند. طبق این مطالعه، این فرآیند از فوتون‌ها - ذرات نور - با نرخ چشمگیر ۱۰ درصد استفاده کرد، به این معنی که از هر ۱۰۰ فوتونی که به RTTA-۱ برخورد می‌کردند، ۱۰ فوتون در تولید هیدروژن نقش داشتند.

محققان می‌گویند فعالیت قابل توجه RTTA-۱ به دلیل اثرات هم افزایی خواص اکسید‌های فلزی و خواص سطحی MOF مادر است که انتقال الکترون را افزایش می‌دهد.

این مطالعه ظرفیت اتصالات ناهمگون اکسید فلزی مشتق از MOF را به عنوان فوتوکاتالیست برای تولید هیدروژن عملی نشان می‌دهد که به توسعه راه حل‌های انرژی پایدار و کارآمد کمک می‌کند.

اعتقاد بر این است که تولید هیدروژن با تقسیم آب از طریق یک فرآیند کاتالیزوری، پاک‌تر از روش رایج استخراج هیدروژن از گاز طبیعی از طریق فرآیند تولید دی اکسید کربن به نام رفورمینگ متان - بخار است.

در حال حاضر، برای تولید هیدروژن از آب، از الکتروکاتالیزور استفاده می‌شود. بر اساس این مطالعه، پایداری الکتروکاتالیز به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر بستگی دارد و برای رقابت در بازار، انرژی باید ارزان باشد.

مجریان این پروژه می‌گویند آب منبع فراوانی از هیدروژن است و فوتوکاتالیز روشی برای مهار انرژی فراوان خورشید به منظور تولید هیدروژن ارائه می‌کند.

اکسید روتنیم ارزان نیست، اما مقدار استفاده شده در این فوتوکاتالیست جدید بسیار ناچیز است. برای کاربرد‌های صنعتی، اگر یک کاتالیزور پایداری و قابلیت تکرارپذیری خوبی از خود نشان دهد، هزینه این مقدار کم از اکسید روتنیم، واقعا به چشم نمی‌آید.

در حال حاضر، رفورمینگ بخار - متان، هیدروژن را با هزینه‌ای در حدود ۱.۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم تولید می‌کند، در حالی که این مقدار برای هیدروژن سبز حدود ۵ دلار در کیلوگرم است.

تولید هیدروژن فوتوکاتالیستی، مسیر جایگزینی را برای ایجاد یک اقتصاد انرژی پایدار ارائه می‌دهد. در حالی که مواد فوتواکتیو متعددی، قابلیت تولید هیدروژن از آب را نشان می‌دهند، هم افزایی به دست آمده از ترکیب دو ماده مختلف با خواص مکمل در قالب پیوند‌های ناهمگون می‌تواند به طور چشمگیری فعالیت فوتوکاتالیستی آنها را افزایش دهد.

نتایج این تحقیقات در نشریه Angewandte Chemie منتشر شده است.