پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورگان دسته‌ای جدید از مواد را ساخته‌اند که می‌توانند با استفاده از نور، هیدروژن را از آب تولید کنند و راهی بالقوه پاک‌تر برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت ارائه دهند.
این پژوهش به سرپرستی کیاریاکوس استیلیانو از دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگان انجام شد. تیم او یک فوتوکاتالیزور توسعه داد که قادر است هیدروژن را به سرعت و با بازده بالا تولید کند. هیدروژن به‌طور گسترده در پیل‌های سوختی خودروها و همچنین در تولید آمونیاک، تصفیه فلزات و ساخت پلاستیک‌ها استفاده می‌شود.
استفاده از نور برای تسریع واکنش‌های شیمیایی
استیلیانو اظهار داشت: «کاتالیزور ماده‌ای است که یک واکنش شیمیایی را بدون تغییر دائمی در فرآیند، تسریع می‌کند.» یک فوتوکاتالیزور به روش مشابهی عمل می‌کند اما توسط نور فعال می‌شود. پس از جذب نور، ماده به حالت انرژی بالاتر می‌رسد و می‌تواند از آن انرژی برای پیشبرد سریع‌تر واکنش‌های شیمیایی استفاده کند.
به گفته استیلیانو، یافته‌های منتشرشده در مجله انجمن شیمی آمریکا می‌تواند ابزار دیگری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی در اختیار پژوهشگران قرار دهد.
تحقیقات او بر چارچوب‌های آلی-فلزی یا MOFs تمرکز دارد؛ موادی بلوری و متخلخل با ساختارهایی که می‌توان آن‌ها را به دقت سفارشی کرد.
MOFs از یون‌های فلزی مثبت باریده که توسط مولکول‌های آلی «پیونددهنده» احاطه شده‌اند، ساخته می‌شوند. حفره‌های ریز و ساختارهای قابل تنظیم آن‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد خواص خود را برای کاربردهای مختلف دقیق تنظیم کنند.
استیلیانو گفت که میلیون‌ها ساختار مختلف MOF به‌طور نظری ممکن است. پژوهشگران شیمی تاکنون نزدیک به ۱۰۰ هزار مورد از آن‌ها را سنتز کرده‌اند، در حالی که خواص حدود نیم میلیون مورد دیگر نیز پیش‌بینی شده است.
یک پیوند غیرمعمول گوگردی محرک واکنش است
در این مطالعه، پژوهشگران بر روی یک MOF به نام BVR-19 تمرکز کردند. این ماده شامل یک پیوند غیرمعمول سولفید-به-سولفید است که هنگام قرار گرفتن در معرض نور موقتاً شکسته شده و گونه‌های گوگردی بسیار واکنش‌پذیر تولید می‌کند.
«جزء آلی کار مهم را انجام می‌دهد»، استیلیانو گفت. «به جای اتکا عمدتاً به اتم‌های فلزی، ماده ما از واحدهای سازنده آلی حاوی گوگرد برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها به جایی که برای تولید هیدروژن لازم است، استفاده می‌کند. این نشان‌دهنده دیدگاه متفاوتی نسبت به نحوه طراحی این مواد است.»
استیلیانو افزود که این رویکرد یعنی BVR-19 به کاتالیزور فلزی اضافی و گران‌قیمت نیاز ندارد. این امر می‌تواند سیستم‌های آینده تولید هیدروژن با نور را ساده‌تر برای طراحی کند.
این ماده مزیت بالقوه دیگری نیز دارد. BVR-19 به‌طور خودبه‌خود در محلول‌های آبی در دمای اتاق تشکیل می‌شود که مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید آن را کاهش می‌دهد.
جایگزینی پاک‌تر برای هیدروژن متعارف
تولید هیدروژن با شکافت آب توسط کاتالیزور می‌تواند پاک‌تر از روش صنعتی غالب باشد که به گاز طبیعی وابسته است.
آن فرآیند متعارف، که به عنوان اصلاح متان-بخار شناخته می‌شود، دی‌اکسید کربن را همزمان با تولید هیدروژن آزاد می‌کند.
روش‌های موجود برای تولید هیدروژن از آب اغلب به الکترولیز وابسته‌اند که از برق برای پیشبرد واکنش کاتالیزوری استفاده می‌کند. مزایای زیست‌محیطی آن رویکرد به شدت به منبع برق بستگی دارد. برای پایدار و رقابتی اقتصادی ماندن، برق باید از منابع تجدیدپذیر کم‌هزینه تأمین شود.
در حال حاضر، هیدروژن تولیدشده از طریق اصلاح متان-بخار حدود ۱.۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم هزینه دارد، در حالی که هیدروژن سبز تقریباً ۵ دلار به ازای هر کیلوگرم قیمت دارد.
قوانین طراحی جدید برای هیدروژن سبز ارزان‌تر
«کار ما طرحی برای طراحی مواد بهتر ارائه می‌دهد که می‌تواند هزینه هیدروژن سبز را کاهش دهد»، گفت استیلیانو که آزمایشگاه کشف مواد دانشگاه ایالتی اورگان (MaD Lab) را مدیریت می‌کند. «با تغییر فلز در حالی که بقیه ماده اساساً ثابت مانده است، کشف کردیم چرا برخی نسخه‌های MOF عملکرد بسیار بهتری نسبت به سایرین دارند. این یافته‌ها قوانین طراحی جدیدی برای ایجاد مواد مؤثرتر برای تولید سوخت خورشیدی فراهم می‌کنند.»
اعضای MaD Lab شامل امانوئل موسا، دیلن پایل، جیکوب لسارد، آندره‌ای گلدیشیاک، آنکیت یاداو، سیلاس بلاسد و پرایاش موهانتی در این پژوهش به همراه لوگان لنکستر، تیلور کروگر، مین سو جونگ، گالن فريتز، جیکوب هیرشی، هونگلیانگ هوانگ، ویلیام استیکل، شیولی «دیوید» جی، چونگ فانگ و تیم زولزدورف از دانشگاه ایالتی اورگان شرکت کردند.
مطالعه خیریه مورداک، بنیاد ملی علم (NSF) و دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگان از این تحقیق حمایت کردند.