تولید هیدروژن به‌کمک نور‌خورشید

شاید هیچ تکنولوژی دیگری مانند فتوسنتز مصنوعی در راه جستجو برای منابع پاکیزه و پایدار انرژی جهت رفع نیازهای بشر، از پتانسیل مناسبی برخوردار نباشد. برگ‌های مصنوعی که قادر به تولید سوخت‌های پرانرژی از مواد اولیه طبیعی و در دسترس مانند نور خورشید، آب و دی‌اکسید‌کربن بوده و هیچ فرآورده جانبی دیگری غیر از اکسیژن ندارند، نشان دهنده جایگزین ایده‌آل برای سوخت‌های فسیلی است، اما با چالش‌های متعدد علمی روبه‌روست.

کد خبر: ۶۰۸۸۱۴

محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا (DOE) در مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) یک گام بزرگ به سمت مواجهه با یکی از این چالش‌ها برداشته‌اند. گری مور، یکی از شیمیدانان آزمایشگاه برکلی می‌گوید: ما موفق به توسعه روشی شدیم که کاتالیزورهای مولکولی تولید‌کننده هیدروژن به صورت ساختاری با نیمه هادی‌های که نور مرئی را جذب می‌کنند جفت شده و سوخت مناسبی تولید می‌کنند.

میزان انرژی‌ای که زمین در طول یک‌ساعت از تابش مفید نورخورشید دریافت می‌کند بیش از میزان مصرف انرژی تمام افراد روی زمین در طول یک‌سال است.

JCAP که دارای شاخه شمالی در برکلی و شاخه جنوبی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا (Caltech) است در سال 2010 توسط وزارت نیروی ایالات متحده آمریکا به‌عنوان یک مرکز نوآوری در زمینه انرژی تاسیس شد و اکنون به‌عنوان رابط بین Caltech و آزمایشگاه برکلی کار می‌کند. JCAP بزرگ‌ترین برنامه تحقیقاتی ایالات متحده آمریکاست که به توسعه فناوری سوخت خورشیدی مصنوعی اختصاص یافته است.

هدف از این برنامه رسیدن به سیستم فتوسنتز مصنوعی است که کارایی آن 10 برابر بیشتر از سیستم فتوسنتز طبیعی است. برای این منظور ابتدا فتو آند‌ها از انرژی خورشید برای شکستن مولکول‌های آب استفاده می‌کنند. دانشمندان نیاز به فوتو کاتد‌هایی دارند که می‌توانند با استفاده از انرژی خورشید تولید سوخت هیدروژنی را تسریع کنند. در تلاش‌های قبلی برای تولید سوخت هیدروژنی، کاتالیزورها روی لایه‌های غیر فوتواکتیو (واکنش‌دهنده به نور) بی‌حرکت شده بودند. این رویکرد نیازمند استفاده از یک پتانسیل الکتریکی خارجی برای تولید هیدروژن بود. مور و همکارانش این مراحل را داخل یک ماده ترکیب کردند.

ساختار سازه فتو کاتدی جدید JCAP متشکل از یک نیمه هادی فسفید گالیم و کاتالیزور مولکولی حاوی کبالت تولید‌کننده هیدروژن است که از خانواده ترکیبات کوبالوکسیم محسوب می‌شود. ‌فسفید گالیم به عنوان یک ماده جاذب نور مرئی نسبت به نیمه هادی‌های موجود که جاذب نور ماوراءبنفش هستند می‌تواند از تعداد بیشتری فوتون‌های خورشیدی در دسترس استفاده کند که این به آن معناست که فوتوکارنت (جریان تولید شده بر اثر تابش) تولید شده به طرز قابل توجهی بیشتر بوده و نرخ تولید سوخت افزایش می‌یابد.

البته فسفید گالیم می‌تواند در طول یک فرآیند فوتوالکتروشیمیایی (فرآیند تبدیل نور به دیگر اشکال انرژی) بسیار ناپایدار باشد. مور و همکارانش دریافتند که پوشاندن سطح فسفید گالیم با لایه نازکی از پلیمر وینیل پریدین مشکل بی‌ثباتی در طول فرآیند را تا اندازه زیادی حل می‌کند و اگر این پلیمر بعد به کاتالیزور کوبالوکسیم اضافه شود تولید هیدروژن به طرز قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.

این روش به محققان اجازه می‌دهد به عنوان مثال کاتالیزورهای فلزی ارزشمندی که هم‌اکنون در بسیاری از نمونه‌های ژنراتورهای خورشیدی استفاده می‌شود را با کاتالیزورهای ساخته شده از عناصر فراوان در خاک جایگزین کنند. البته فسفید گالیم با وجود خواص الکترونیکی امیدوار‌کننده‌اش ممکن است درنهایت باعث کاهش تعداد فوتون‌های قابل جذب در دسترس شود.

مور می‌گوید: ما بی‌صبرانه منتظر تطبیق این روش برای ترکیب موادی با خواص ارتقا یافته و استفاده از آنها در ژنراتورهای خورشیدی نسل جدید برای تبدیل نور خورشید به سوخت هستیم.