ذخيره نور خورشيد در بطري براي توليد هيدروژن در شب
دانشمندان موفق شدهاند نور خورشيد را در قالب الكترون ذخيره و ساعتها بعد، بدون نياز به برق يا نور، آن را به هيدروژن پاك تبديل كنند؛ دستاوردي كه ميتواند معادلات ذخيرهسازي و حمل انرژي خورشيدي را دگرگون كرده و ركورد تازهاي در «فوتوكاتاليست در تاريكي» به ثبت برساند.
به گزارش روز دوشنبه گروه علمي ايرنا از ستاد ويژه توسعه فناوري نانو، تصور كنيد در ميانه شب قطبي، كاميوني به كارخانهاي در شمال نروژ ميرسد. نه مخزن گاز فشردهاي همراه دارد و نه تانكهاي عظيم و پرهزينه برودتي. تنها چند مخزن مايع حمل ميكند. تكنسين كارخانه مقدار اندكي پودر كاتاليست به اين مايع ميافزايد و بلافاصله حبابهاي گاز هيدروژن پديدار ميشوند؛ سوختي آماده براي تغذيه پيلهاي سوختي يا فرايندهاي صنعتي. انرژي لازم براي اين واكنش، نه در همان لحظه، بلكه ساعتها پيش و در منطقهاي آفتابي ذخيره شده است؛ جايي كه خورشيد فراوان است اما مصرف انرژي اندك.
اين سناريو هنوز بهطور كامل محقق نشده، زيرا تاكنون كسي نشان نداده است كه چنين سامانهاي بتواند انرژي ذخيرهشده را براي هفتهها و در مسيرهاي طولاني حملونقل حفظ كند. با اين حال، پژوهش تازهاي نشان ميدهد كه شيمي لازم براي تحقق چنين آيندهاي، بيش از هر زمان ديگري در دسترس قرار گرفته است.
هيدروژن به عنوان سوختي پاك، هنگام سوختن تنها آب توليد ميكند و به همين دليل يكي از گزينههاي كليدي براي كربنزدايي از صنايع سنگين، حملونقل سنگين و فولادسازي به شمار ميرود. اما دو مانع بزرگ، توسعه گسترده آن را كند كرده است. نخست آنكه توليد هيدروژن از نور خورشيد به تابش پيوسته نياز دارد و ابرها و شب، اين فرآيند را متوقف ميكنند. دوم اينكه ذخيرهسازي و انتقال هيدروژن گازي يا مستلزم فشردهسازي تا ۷۰۰ برابر فشار جو است يا نياز به سرمايش تا منفي ۲۵۳ درجه سانتيگراد دارد؛ هر دو گزينه، پر هزينه و همراه با مخاطرات ايمني هستند. طبيعت ميليونها سال پيش راهحلي هوشمندانه براي اين چالش يافته است. در فرآيند فتوسنتز، گياهان انرژي خورشيد را جذب و آن را در واسطههاي شيميايي ذخيره ميكنند. اين انرژي ذخيرهشده، بعدا و بدون نياز به نور، صرف ساخت قندها ميشود. دانشمندان سالها است بهدنبال نسخه مصنوعي اين فرآيند دومرحلهاي هستند، اما بيشتر نمونههاي آزمايشگاهي «فوتوكاتاليز در تاريكي» به ساختارهاي مولكولي پيچيده، كاتاليستهاي گرانقيمت يا ورودي برق خارجي وابسته بودهاند.
در اين ميان، تركيباتي به نام پلياكسومتالاتها توجه پژوهشگران را جلب كردهاند. اين خوشههاي مولكولي متشكل از فلز و اكسيژن، كه اغلب از تنگستن يا موليبدن ساخته ميشوند، ميتوانند چندين الكترون را بهطور برگشتپذير ذخيره و آزاد كنند؛ رفتاري شبيه به يك باتري مولكولي. با وجود اين، تمامي سامانههاي پيشين كه از پلياكسومتالاتهاي تجاري استفاده ميكردند، براي توليد هيدروژن در تاريكي همچنان به جريان الكتريكي خارجي نياز داشتند.
اكنون پژوهشي كه در نشريه معتبر
Advanced Materials با عنوان «ذخيره انرژي خورشيدي در پلياكسومتالات براي حمل و توليد هيدروژن در زمان دلخواه» منتشر شده، اين محدوديت را كنار زده است. پژوهشگران كه عمدتا در دانشگاه لانژو چين فعاليت ميكنند، سامانهاي معرفي كردهاند كه ميتواند انرژي خورشيد را بهصورت الكترون ذخيره كرده و در تاريكي مطلق، بدون هيچ منبع برق خارجي، هيدروژن توليد كند. اين سامانه با استفاده از مواد كاملا تجاري، بالاترين نرخ توليد هيدروژن در ميان تمام سامانههاي فوتوكاتاليز تاريك گزارششده تاكنون را به ثبت رسانده است. در قلب اين فناوري، تركيب دو ماده ساده اما هوشمندانه قرار دارد: نيتريد كربن گرافيتي و آمونيوم متاتنگستات. نيتريد كربن گرافيتي نقش فوتوكاتاليست نيمهرسانا را ايفا ميكند و پلياكسومتالات تنگستني، مخزن ذخيره الكترونها است. آزمايشها در محلول آبي حاوي ۱۰درصد حجمي متانول انجام شدهاند؛ مادهاي كه به عنوانگيرنده حفره عمل ميكند و مانع بازتركيب الكترونها و حفرهها ميشود. به بيان ديگر، اين سامانه آب خالص را تجزيه نميكند و براي عملكرد به يك قرباني شيميايي نياز دارد.
با تابش نور به نيتريد كربن گرافيتي، جفتهاي الكترون-حفره توليد ميشود. الكترونها به خوشههاي پلياكسومتالات منتقل و حتي پس از خاموششدن نور نيز در آنها ذخيره ميشوند. تغيير رنگ محلول از زرد كمرنگ به آبي تيره، نشانهاي ديداري از كاهش حالت اكسايش تنگستن و ذخيره الكترونها است.
دو عامل كليدي، موفقيت اين جفتسازي را توضيح ميدهند. نخست، در شرايط اسيدي، گروههاي آميني سطح نيتريد كربن گرافيتي پروتوندار شده و بار مثبت ميگيرند، در حالي كه پلياكسومتالاتها داراي بار منفي هستند.
اين اختلاف بار، تماس الكترواستاتيكي نزديك و موثري ايجاد ميكند. دوم، همخواني مناسب ترازهاي انرژي دو ماده است كه انتقال خودبهخودي و كارآمد الكترونها را ممكن ميسازد. آزادسازي انرژي ذخيرهشده نيز فرايندي ساده دارد.
پژوهشگران تنها با افزودن كاتاليست پلاتين روي كربن به محلول تاريك، توليد هيدروژن را آغاز كردند. در اين مرحله، پلاتين بستر مناسبي فراهم ميكند تا پروتونها و الكترونها با هم تركيب شده و گاز هيدروژن بسازند. بدينترتيب، جذب نور، ذخيره انرژي و توليد سوخت، در زمانها و حتي مكانهاي متفاوت انجام ميشود. پس از يك ساعت تابش نور، سامانه توانست در مرحله تاريك ۱۳.۵ ميكرومول هيدروژن توليد كند و بيشينه نرخ توليد به ۳۲۲۰ ميكرومول بر گرم در ساعت رسيد؛ ركوردي بيسابقه در اين حوزه. آزمايشهاي فضاي باز نيز نشان دادند كه با نور طبيعي خورشيد، توليد هيدروژن در تاريكي به ۹۵۴ ميكرومول بر گرم در ساعت ميرسد.
اين پژوهش نشان ميدهد كه با مونتاژ ساده الكترواستاتيكي مواد تجاري، ميتوان انرژي خورشيدي را ذخيره و بدون برق، در تاريكي به هيدروژن تبديل كرد. اگر در آينده پايداري طولانيمدت اين ذخيره الكتروني تأييد شود، راه براي انتقال انرژي خورشيدي از مناطق آفتابي به مناطق كمنور، در قالب مايعي ايمن و كمهزينه، هموار خواهد شد.
