همشهری آنلاین: هیدروژن بهعنوان سوختی پاک، هنگام سوختن تنها آب تولید میکند و به همین دلیل یکی از گزینههای کلیدی برای کربنزدایی از صنایع سنگین، حملونقل سنگین و فولادسازی به شمار میرود اما دو مانع بزرگ، توسعه گسترده آن را کند کرده است. نخست آنکه تولید هیدروژن از نور خورشید به تابش پیوسته نیاز دارد و ابرها و شب، این فرایند را متوقف میکنند و دوم اینکه ذخیرهسازی و انتقال هیدروژن گازی یا مستلزم فشردهسازی تا ۷۰۰ برابر فشار جو است یا نیاز به سرمایش تا منفی ۲۵۳ درجه سانتیگراد دارد؛ دو گزینهای که بسیار پرهزینه و همراه با مخاطرات ایمنی هستند.
البته طبیعت میلیونها سال پیش راهحلی هوشمندانه برای این چالش یافته است. به این ترتیب که در فرایند فتوسنتز، گیاهان انرژی خورشید را جذب و آن را در واسطههای شیمیایی ذخیره میکنند. این انرژی ذخیرهشده، بعدا بدون نیاز به نور، صرف ساخت قندمیشود.
دانشمندان سالها است بهدنبال نسخه مصنوعی این فرایند دومرحلهای هستند، اما بیشتر نمونههای آزمایشگاهی «فوتوکاتالیز در تاریکی» به ساختارهای مولکولی پیچیده، کاتالیستهای گرانقیمت یا ورودی برق خارجی وابسته بودهاند.
بیشتر بخوانید:
- بزرگترین ساختار چرخان کیهان کشف شد | ابرکهکشانی به طول ۵.۵ میلیون سال نوری
- هوش مصنوعی به کمک علم پزشکی آمد | تشخیص حمله قلبی و سرطان کبد در ۱۰ ثانیه
- کشف یک «جاده آجری زرد» در کف اقیانوس آرام
به گزارش ستاد نانو، پژوهشی با عنوان «ذخیره انرژی خورشیدی در پلیاکسومتالات برای حمل و تولید هیدروژن در زمان دلخواه» که نتایج آن در نشریه معتبر Advanced Materials منتشر شده، این محدودیت را کنار زده است.
پژوهشگران این تحقیق که عمدتا در دانشگاه لانژو چین فعالیت میکنند، سامانهای معرفی کردهاند که میتواند انرژی خورشید را بهصورت الکترون ذخیره کرده و در تاریکی مطلق، بدون هیچ منبع برق خارجی، هیدروژن تولید کند. این سامانه با استفاده از مواد کاملا تجاری، بالاترین نرخ تولید هیدروژن در میان تمام سامانههای فوتوکاتالیز تاریک گزارششده تاکنون را به ثبت رسانده است.
در قلب این فناوری، ترکیب دو ماده ساده اما هوشمندانه قرار دارد: نیترید کربن گرافیتی و آمونیوم متاتنگستات. نیترید کربن گرافیتی نقش فوتوکاتالیست نیمهرسانا را ایفا میکند و پلیاکسومتالات تنگستنی، مخزن ذخیره الکترونها است.
در این پژوهش، آزمایشها در محلول آبی حاوی ۱۰ درصد حجمی متانول انجام شدهاند؛ مادهای که بهعنوان گیرنده حفره عمل میکند و مانع بازترکیب الکترونها و حفرهها میشود.
با تابش نور به نیترید کربن گرافیتی، جفتهای الکترون–حفره تولید میشود. الکترونها به خوشههای پلیاکسومتالات منتقل و حتی پس از خاموششدن نور نیز در آنها ذخیره میشوند. تغییر رنگ محلول از زرد کمرنگ به آبی تیره، نشانهای دیداری از کاهش حالت اکسایش تنگستن و ذخیره الکترونها است.
بیشتر بخوانید:
- بیسابقهترین رصد خورشیدی انجام شد
- نبرد شانه به شانه قدرتهای فضایی | کدام کشور پیشتاز انتقال زیرساختهای هوش مصنوعی به فضاست؟
- فناوری آئودی به دنیای گلس آمد | معرفی اولین عینک آفتابی الکتروکرومیک جهان
آزادسازی انرژی ذخیرهشده نیز فرایندی ساده دارد. پژوهشگران تنها با افزودن کاتالیست پلاتین روی کربن به محلول تاریک، تولید هیدروژن را آغاز کردند. در این مرحله، پلاتین بستر مناسبی فراهم میکند تا پروتونها و الکترونها با هم ترکیب شده و گاز هیدروژن بسازند. بدینترتیب، جذب نور، ذخیره انرژی و تولید سوخت، در زمانها و حتی مکانهای متفاوت انجام میشود.
در پژوهش مورد اشاره، پس از یک ساعت تابش نور، سامانه توانست در مرحله تاریک ۱۳٫۵ میکرومول هیدروژن تولید کند و بیشینه نرخ تولید به ۳۲۲۰ میکرومول بر گرم در ساعت رسید که رکوردی بیسابقه در این حوزه محسوب می شود. آزمایشهای فضای باز نیز نشان دادند که با نور طبیعی خورشید، تولید هیدروژن در تاریکی به ۹۵۴ میکرومول بر گرم در ساعت میرسد.
این پژوهش نشان میدهد که با مونتاژ ساده الکترواستاتیکی مواد تجاری، میتوان انرژی خورشیدی را ذخیره و بدون برق، در تاریکی به هیدروژن تبدیل کرد.
اگر در آینده پایداری طولانیمدت این ذخیره الکترونی تأیید شود، راه برای انتقال انرژی خورشیدی از مناطق آفتابی به مناطق کمنور، در قالب مایعی ایمن و کمهزینه، هموار خواهد شد.