دستیابی به پیشرفت بنیادی در واکنش تفکیک صد درصدی مولکول‌ های آب

گروهی از دانشمندان به تازگی توانسته‌اند در روند تولید سوخت هیدروژی با استفاده از واکنش تفکیک آب، بهبود‌هایی ایجاد کنند.

موبنا- روش به کار برده شده بر پایه‌ی استفاده از تابش نور مریی است و می‌تواند نویدبخش تولید سوخت‌های هیدروژنی از تابش خورشید باشد.

اگر دانشمندان بتوانند رو‌ش‌هایی را برای تجزیه‌ی ارزان و آسان مولکول‌های آب به اتم‌های سازنده‌اش بیابند در آن صورت می‌توانند در ادامه به روش‌های شگفت‌انگیزی در زمینه‌ی تولید انرژی پاک و تجدیدپذیر برسند که این منبع از انرژی را با نام سوخت هیدروژنی می‌شناسیم.

 

سوخت هیدروژنی هنگامی که با اکسیژن سوزانده می‌شود هیچ گونه آلایندگی ایجاد نمی‌کند و از دیدگاه تئوری هم ساخت و تولید این سوخت بسیار ساده است. در واقع تنها کاری که باید انجام شود این است که شما مقداری آب را برای انجام واکنش فراهم کرده و از میان آن، جریان الکتریکی عبور دهید تا در ادامه شاهد تولید هیدروژن و اکسیژن باشید. اما موضوعی که در حال حاضر وجود دارد این است که فرایند گفته شده به مقدار الکتریسته‌ی زیادی نیاز دارد و در واقع انجام آن با روش‌های کنونی بهینه نیست.

اکنون پژوهشگران توانسته‌اند یکی از دو گام پیش روی این فرایند را به خوبی طی کنند و در مرحله‌ای از این فرایند که با نام کاهش شناخته می‌شود، شاهد به دست آمدن بازده ۱۰۰ درصدی هستیم. این دستاورد دانشمندان به مقدار قابل ملاحظه‌ای از رکورد بازده پیشین که در حدود ۶۰ درصد بود بیشتر است و در واقع مشکل موجود در این بخش را به طور کامل از میان برمی‌دارد. به عبارتی می‌توان گفت که تمامی انرژی وارد شده به این واکنش از سوی دیگر به همان میزان در خروجی دریافت می‌شود و این احتمال را برایمان فراهم می‌کند که اگر مرحله‌ی دیگر واکنش تفکیک آب یعنی اکسیداسیون هم به تبع این پژوهش تقویت شود، آنگاه شاهد ایجاد بهبود در کل فرایند و تولید سوخت هیدروژنی پایا و بدون آلایندگی باشیم. این نوع از سوخت می‌تواند به عنوان یک گزینه‌ی درخور برای فراهم‌سازی توان لازم وسایل نقلیه و دستگاه‌های الکترونیکی ما باشد. لیاک آمیراف (Liac Amirav) سرپرست گروه پژوهشی می‌گوید:

من به شدت باور داردم که جستجو برای منابع انرژی پاک و تجدید‌پذیر کاملا لازم و حیاتی است. با پدیدار شدن بحران‌های انرژی از یک سو و همچنین موجود مسایل محیطی به ویژه گرمایش زمین از سوی دیگر، من باور دارم که وظیفه‌ی دانشمندان در هر حال حاضر این است که برای بهبود و رفع اوضاع کنونی برای نسل‌های آینده گام‌هایی را بردارند.

فرایند انجام شده در این پژوهش بسیار بهینه بود، زیرا تمامی توان لازم برای آن از طریق نور و با استفاده از نانومیله‌ها و کاتالیست‌هایی برای پیشبرد واکنش فراهم می‌شد. ما پیش از این آموخته‌ایم که در بیشتر واکنش‌های شیمیایی، کاتالیست‌ها دسته‌ای از مواد شیمیایی گوناگون می‌توانند باشند. اما نانومیله‌های ۵۰ نانومتری به کار بسته شده در این سیستم را با نام فوتوکاتالیست‌ها یا کاتالیست‌های نوری می‌شناسند و شیوه‌ی کار آنها بر پایه‌ی جذب فوتون‌های منابع نوری است. پس از جذب فوتون‌ها هم الکترون‌های آزاد شده از آنها در ادامه‌ی فرایند به تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن کمک می‌کند. آمیراف در این باره می‌گوید:

کار ما نشان می‌دهد که می‌توان به خوبی یک بازده کامل ۱۰۰ درصدی را در فرایند تولید الکترون از فوتون‌ها با تابش نور مریی به دست آورد و در واقع این مرحله به عنوان نیم‌واکنش لازم برای عملیات تفکیک آب با فوتوکاتالیست‌ها به شما می‌رود. نتایجی که در این آزمایش به دست آمده، از همه‌ی نتایج گذشته پیشی گرفته است و می‌توانیم بگوییم که این روش هیچ جای پیشرفتی را برای بهبود بازده این بخش از واکنش باقی نگذاشته است. پتانسیلی که در این روش وجود دارد بسیار چشمگیر است.

شاید بهتر باشد کمی بیشتر با فرایند تفکیک آب آشنا شویم. تفکیک آب در واقع مستلزم دو مرحله‌ است، چون تفکیک H2O به سه اتم مجزا دارای روند مستقیمی نیست. کل واکنش مستلزم این است که دو مولکول H2O در کنار هم گذاشته شوند و این دو از طریق اکسیداسیون و کاهش تفکیک شوند. لیزا زیگا (Lisa Zyga) در این باره توضیح می‌دهد:

در نیم‌واکنش مربوط به فرایند کاهش، چهار اتم منفرد هیدروژن با یک مولکول O2 به دست می‌آیند. در نیم‌واکنش مربوط به کاهش هم با افزدون الکترون‌ها دو مولکول هیدروژن H2 به دست می‌آیند که این مولکول‌های هیدروژن به عنوان سوخت هیدروژنی به صورت گاز H2 به کار می‌روند.

آخرین مرحله از فرایند گفته شده در بالا همان مرحله‌ای است که طی این پژوهش بهبود یافته و بازده ۱۰۰ درصدی در این مرحله نشان می‌دهد که همه‌ی فوتون‌های تابیده شده به روی نانومیله‌ها منجر به تولید الکترون شده‌اند.

با داشتن این حجم از بازده می‌توان گفت که طی هر نیم‌واکنش و در هر ثانیه حدود ۱۰۰ مولکول هیدروژن به ازای هر نانومیله به دست می‌آید. گفتنی است که هر نمونه‌ی مورد استفاده شده در فرایند هم دارای تقریبا ۶۰۰ تریلیون نانومیله است، بنابراین در زمان اندکی می‌توانیم شمار بسیار فراوانی مولکول هیدروژن تولید کنیم.

نکته‌ی کلیدی که برای موفقیت در این پژوهش وجود داشت در واقع پی بردن به یک عامل کندکننده در طول فرایند بود. واقعیتی که وجود داشت این بود که پس از هر مرحله از ترک کاتالیست‌ها توسط الکترون‌ها، سوراخ‌های خالی بسیار ریزی در محل باقی می‌گذاشتند و برای ادامه‌ی روند فرایند با همان شدت قبلی لازم بود که این سوراخ‌ها از میان برداشته شوند. برای افزایش کارکرد این فرایند تصمیم گرفته شد که نانومیله‌های مذکور را بازطراحی کنند. پژوهشگران توانستند کارایی فرایند را از ۵۸.۵ درصد به ۱۰۰ درصد افزایش دهند.

گروه پژوهشی در حال تلاش برای بهبود این سیستم هستند. در حال حاضر برای انجام فرایند به سطح بسیار بالایی از پی اچ نیاز است که این امر در دنیای واقعی و در استفاده‌ی کاربردی نمی‌تواند مورد ایده‌آلی باشد. همچنین گفتنی است که نانومیله‌ها ممکن است در طول زمان دچار خوردگی شوند. هدف این است که با استفاده از این نیم‌واکنش کامل بتوانیم سوخت هیدروژنی را یک گام دیگر به مرحله‌ی کاربرد به عنوان منبع هیدروژنی نزدیک کنیم.

منبع:زومیت|نویسنده:بابک قهرمانی

176/

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

16 + 17 =

دنبال کنید @ اینستاگرام