تولید هیدروژن از آب در حضور نور خورشید با فناوری نانو

به نقل از ستاد توسعه فناوری نانو، هم اکنون بیش از ۸۵ درصد تولید و مصرف انرژی در دنیا، مبتنی بر انرژی‌های تجدید ناپذیر 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 بی پایان نظیر انرژی خورشیدی از اهمیت بالایی برخوردار شده‌است.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 به عنوان سوخت، در خودروهای هیدروژنی و الکتریکی مبتنی بر پیل‌های سوختی، در صنایع دیگر از جمله صنعت برق و نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به عنوان خنک کننده‌ ژنراتورها، در تولید آمونیاک، و یا در هیدروژناسیون ترکیبات غیراشباع هیدروکربنی به‌کارگرفته 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 به عنوان 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 دلیل انتخاب هماتیت به عنوان 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 شده‌است.به گفته‌ این محقق، با توجه به نتایج حاصل شده، به نظر می‌رسد نانوساختارسازی، راهکار بسیار مناسبی برای افزایش بازدهی فتوالکتروکاتالیستی هماتیت است.مرادلو با اشاره به اینکه پژوهش اخیر در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده‌است، اقدامات لازم جهت تجاری سازی این طرح را بدین شرح بیان کرد: البته به دلیل 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 به عنوان حامل انرژی پاک، ذخیره سازی آن است؛ از این رو تجاری سازی تولید هیدروژن جهت کاربردهای سوختی با ررفع این نوع محدودیت‌ها امکان پذیر است. به همین دلیل است که گروه‌های تحقیقاتی زیادی در کشورهای توسعه یافته نظیر آلمان بر روی این موضوع در حال انجام طرح‌های عظیم تحقیقاتی هستند.وی افزود: در این طرح برای مشخصه یابی فتوالکتروکاتالیست سنتز شده‌ی 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 ماده‌ی ارزان قیمت اکسید آهن (هماتیت) تهیه شده است، پایداری بالایی دارد و قابلیت تولید هیدروژن، بدون تغییر محسوس در بازدهی آن، طی ساعت‌ها انجام فرایند 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 امریکا است. نتایج این کار در مجله‌ Applied Catalysis B: Environmental با ضریب تأثیر ۹/۴۵ (جلد ۲۲۷، سال ۲۰۱۸، صفحات ۱۷۸ تا ۱۸۹) منتشر شده است.