ماده جدیدی که نور خورشید و آب را به هیدروژن سبز با کارایی بیشتر تبدیل می‌کند
دانشمندان ماده جدیدی تولید کرده‌اند که نور خورشید و آب را به انرژی پاک تبدیل می‌کند.
کاتالیزور نوری که توسط پژوهشگران دانشگاه ایالتی اوریگان ساخته شده است، تولید هیدروژن با سرعت و کارایی بالا را ممکن می‌سازد.
همکاری به رهبری کیریاکوس استیلیانو از کالج علوم OSU، ابزاری جدید برای مبارزه با انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییرات آب و هوایی به نمایش گذاشت. پژوهش استیلیانو بر روی مواد متبلور و متخلخل معروف به چارچوب‌های فلزی-آلی، که به اختصار MOFs نامیده می‌شوند، متمرکز است.
پژوهشگران چندین RTTA را با مقدارهای مختلف اکسیدها آزمایش کردند
در این مطالعه، پژوهشگران از یک MOF برای مشتق کردن یک هتروجکشن فلز اکسیدی - ترکیبی از دو ماده با خواص مکمل - برای ساخت کاتالیزوری استفاده کردند که وقتی در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، به سرعت و کارایی، آب را به هیدروژن تجزیه می‌کند.
هتروجکشن که آنها آن را RTTA می‌نامند، شامل اکسید روتنیوم مشتق شده از MOF و اکسید تیتانیوم است که با گوگرد و نیتروژن دوپ شده است. آنها چندین RTTA با مقدارهای مختلف اکسیدها را آزمایش کردند و برنده واضحی پیدا کردند.
«در میان مواد مختلف RTTA، RTTA-1 با کمترین مقدار اکسید روتنیوم، سریع‌ترین نرخ تولید هیدروژن و بازده کوانتومی بالا را نشان داد»، استیلیانو گفت.
یک گرم از RTTA-1 قادر بود بیش از ۱۰٬۷۰۰ میکرومول هیدروژن تولید کند
او اشاره کرد که در یک ساعت، یک گرم از RTTA-1 قادر بود بیش از ۱۰٬۷۰۰ میکرومول هیدروژن تولید کند. این فرآیند از فوتون‌ها—ذرات نور—با نرخ تحسین‌برانگیز ۱۰٪ استفاده کرد، بدین معنا که از هر ۱۰۰ فوتونی که به RTTA-1 برخورد می‌کرد، ۱۰ فوتون به تولید هیدروژن کمک می‌کرد.
«فعالیت قابل‌توجه RTTA-1 به دلیل اثرات هم‌افزایی خواص اکسیدهای فلزی و خواص سطحی از MOF والد است که انتقال الکترون را افزایش می‌دهد»، استیلیانو گفت.
این مطالعه پتانسیل هتروجکشن‌های فلز اکسیدی مشتق شده از MOF را به عنوان کاتالیزورهای نوری برای تولید هیدروژن عملی برجسته می‌کند و به توسعه راه‌حل‌های انرژی پایدار و کارآمد کمک می‌کند.
تولید هیدروژن از طریق شکافت آب به کمک فرآیند کاتالیزوری به عنوان روشی پاک‌تر از روش سنتی استخراج هیدروژن از گاز طبیعی از طریق فرآیند کربن دی‌اکسید تولید شونده معروف به ریفرمینگ بخار متان محسوب می‌شود.
در حال حاضر، تولید هیدروژن از آب شامل الکتروکاتالیز می‌شود - عبور برق از طریق کاتالیزور.
پایداری الکتروکاتالیز به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر بستگی دارد و برای رقابت در بازار، انرژی باید ارزان باشد.
اعتبار: دانشگاه ایالتی اوریگان
«آب منبع فراوانی از هیدروژن است و فوتوکاتالیز راهی برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی فراوان زمین برای تولید هیدروژن ارائه می‌دهد»، استیلیانو گفت.
«اکسید روتنیوم ارزان نیست اما مقدار استفاده شده در کاتالیزور نوری ما حداقلی است. برای کاربردهای صنعتی، اگر کاتالیزور پایداری و تکرارپذیری خوبی داشته باشد، هزینه این مقدار کم از اکسید روتنیوم اهمیت کمتری پیدا می‌کند.»
در حال حاضر، ریفرمینگ بخار متان هیدروژن را با هزینه حدود 1.50 دلار در هر کیلوگرم تولید می‌کند، در مقایسه با حدود 5 دلار در هر کیلوگرم برای هیدروژن سبز.
تولید هیدروژن فوتوکاتالیزی مسیر جایگزینی برای ایجاد یک اقتصاد انرژی پایدار ارائه می‌دهد. در حالی که مواد فوتواکتیو متعدد قابلیت تولید هیدروژن از آب را دارند، هم‌افزایی حاصل از ترکیب دو ماده مختلف با خواص مکمل به شکل هتروجکشن‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی فعالیت فوتوکاتالیزی آنها را افزایش دهد.
این مطالعه در Angewandte Chemie منتشر شد.
