کریستال‌های اسپین‌محور می‌توانند تولید هیدروژن پاک را 200 برابر افزایش دهند
هیدروژن به عنوان یک عنصر مهم در گذار به آینده‌ای کم‌کربن به طور فزاینده‌ای دیده می‌شود.
اکنون محققان رویکرد جدیدی برای بهبود کارایی تجزیه آب که یک فرایند تولید سوخت هیدروژن پاک است، کشف کرده‌اند.
محققان موسسه ماکس پلانک از نوعی کریستال خاص به نام کریستال‌های چیرال توپولوژیک استفاده کردند.
این کریستال‌ها با ساختار چیرال ویژه‌شان، دارای خواص کوانتومی فوق‌العاده‌ای هستند که می‌توانند چرخش الکترون‌ها را دستکاری کنند، که این به تجزیه آب بسیار کارآمد کمک می‌کند.
«با بهره‌برداری از خواص چرخش منحصر به فرد الکترون‌ها، ما کاتالیزوری ایجاد کرده‌ایم که از مواد سنتی ۲۰۰ برابر عملکرد بهتری دارد»، بینگهای یان گفت.
غلبه بر چالش واکنش آهسته
هیدروژن یک سوخت همه‌کاره است که می‌تواند در کاربردهای مختلفی مانند حمل و نقل، تولید برق و فرآیندهای صنعتی استفاده شود. این سوخت جایگزین پاک و پایدار برای سوخت‌های فسیلی با انتشار گازهای گلخانه‌ای ارائه می‌دهد.
افزون بر این، می‌تواند به کارآمدی ذخیره و جابجایی شود، که آن را به راه حلی ارزشمند برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر اضافی تبدیل می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود تقاضا در سال‌های آینده به صورت نمایی افزایش یابد.
تجزیه آب یک تکنیک مفید برای تولید انرژی هیدروژن پاک با شکستن مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن است.
با این حال، این فرایند با واکنش تکامل اکسیژن آهسته (OER) محدود می‌شود.
OER شامل یک سری مراحل انتقال الکترون پیچیده است که ذاتاً کند هستند. این کندی به طور عمده کارایی کلی تجزیه آب را کاهش می‌دهد و آن را کمتر مقرون به صرفه می‌کند.
برای غلبه بر این چالش، محققان به طور فعالی به دنبال راه‌های جدید برای تسریع این فرایند هستند.
در این توسعه جدید، محققان به کریستال‌هایی با ساختارهای چیرال ویژه رو آوردند.
«این کریستال‌ها اساساً ماشین‌های کوانتومی هستند»، دکتر شیا وانگ، محقق ارشد از موسسه ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدها گفت.
این کریستال‌ها دارای آرایش اتمی چپ‌دست یا راست‌دست متمایز هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به شیوه‌های خاص با نور و مولکول‌های چیرال دیگر تعامل داشته باشند.
این دستکاری به تسریع واکنش تکامل اکسیژن برای تجزیه موفقیت‌آمیز آب کمک می‌کند.
فرایند را بهبود می‌بخشد
محققان کریستال‌های چیرال توپولوژیک طراحی کردند که از عناصر مختلفی مانند رودیوم، سیلیکون، قلع و بیسموت تشکیل شده‌اند. این به کریستال‌ها قابلیت فوق‌العاده‌ای برای دستکاری چرخش الکترون‌ها می‌دهد.
خواص کوانتومی منحصر به فرد این کریستال‌ها به الکترون‌ها اجازه می‌دهد به طور کارآمدتری به سمت مراکز تولید اکسیژن در طی فرایند تجزیه آب حرکت کنند.
این انتقال الکترون تسریع شده به طور قابل توجهی میزان واکنش کلی را افزایش می‌دهد و آن را ۲۰۰ برابر کارآمدتر از کاتالیزورهای سنتی می‌سازد.
«ما آگاهیم که کاتالیزورهای ما هنوز عناصر نادری را در بر می‌گیرند، اما اطمینان داریم که بر اساس طرح ما به زودی با کاتالیزورهای بسیار کارآمد و پایدار نیز ارائه خواهیم داد»، یان در بیانیه مطبوعاتی اضافه کرد.
این کشف پتانسیل پیشرفت در بخش انرژی را دارد. با تولید هیدروژن کارآمدتر، می‌توان خانه‌ها، وسایل نقلیه و صنایع را با انرژی پاک و تجدیدپذیر نیرو داد.
در حال حاضر، تولید هیدروژنی پاک با چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالا و مسائل کارایی روبرو است، اما تحقیقات و توسعه ادامه‌دار وعده می‌دهد که آن را به بخشی اساسی از آینده انرژی پاک تبدیل کند.
یافته‌ها در مجله Nature Energy منتشر شد.
