ابداع یک کاتالیزور جدید برای تولید هیدروژن سبز با نور

هیدروژن یک عنصر فراوان، قدرتمند و همه‌کاره برای تولید انرژی پاک است که می‌تواند در گذار به یک اکوسیستم انرژی پایدار حیاتی باشد.

با این حال، فرآیند شیمیایی بیش از نیمی از تولید جهانی هیدروژن به طور قابل توجهی به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند.

پژوهشگران دانشگاه رایس برای غلبه بر این مشکل، کاتالیزوری ابداع کرده‌اند که می‌تواند با استفاده از نور به جای گرما برای هدایت این واکنش، اصلاح بخار متان(SMR) را کاملاً بدون انتشار هر نوع گاز گلخانه‌ای انجام دهد.

اصلاح بخار(Steam reforming) روشی برای تولید هیدروژن، مونوکسید کربن و سایر محصولات مفید از سوخت‌های هیدروکربنی مانند گاز طبیعی است. در این روش از یک دستگاه فرآورش به نام اصلاح کننده استفاده می‌شود که بخار را در دمای بالا با سوخت فسیلی واکنش می‌دهد. برای نمونه اصلاح متان به وسیله بخار به‌ طور گسترده‌ای در صنایع مختلف با هدف تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصلاح بخار متان(SMR) نیز یک واکنش شیمیایی است که هیدروژن و مونوکسید کربن را از گاز طبیعی و سایر منابع متان تولید می‌کند.

استفاده از نور به جای گرما

این پژوهش می‌تواند برای افزایش طول عمر کاتالیزور، افزایش کارایی و کاهش هزینه‌ها در فرآیندهای مختلف صنعتی تحت تأثیر کُک‌سازی که نوعی تجمع کربن است که می‌تواند کاتالیزورها را غیرفعال کند، ضروری باشد.

این فتوکاتالیست جدید مس-رودیوم دارای طراحی آنتن-راکتوری است که متان و بخار آب را بدون نیاز به گرمایش خارجی در صورت قرار گرفتن در معرض طول موج خاصی از نور تجزیه می‌کند.

این فرآیند، هیدروژن و مونوکسید کربن تولید می‌کند که مواد اولیه با ارزشی برای صنایع شیمیایی هستند و به انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر نمی‌شوند.

پیتر نوردلندر(Peter Nordlander)‌ استاد فیزیک و نجوم و استاد برق، مهندسی رایانه و علم مواد و مهندسی نانو در دانشگاه رایس می‌گوید: این یکی از تأثیرگذارترین یافته‌های ما تاکنون است، زیرا جایگزین بهبود یافته‌ای برای آنچه مسلماً مهم‌ترین واکنش شیمیایی برای جامعه مدرن است، ارائه می‌کند. ما یک روش کاملا جدید و بسیار پایدارتر برای انجام SMR ایجاد کرده‌ایم.

نوردلندر و نائومی هالاس(Naomi Halas) ‌استاد دانشگاه رایس و استاد مهندسی برق و رایانه از دانشگاه رایس سرپرست این مطالعه هستند که به تازگی در مجله Nature Catalysis منتشر شده است.

مسیر جدید واکنش SMR از کشفی مربوط به سال ۲۰۱۱ در آزمایشگاه‌های هالاس و نوردلندر در دانشگاه رایس استفاده می‌کند. آنها دریافتند که پلاسمون‌ها(نوسانات جمعی الکترون‌ها در نانوذرات فلزی) زمانی که در معرض نور قرار می‌گیرند، می‌توانند «حامل‌های داغ» را ساطع کنند که الکترون‌های پرانرژی و حفره‌هایی هستند که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را هدایت کنند.

تولید هیدروژن سبز

ییگائو یوان(Yigao Yuan) یک دانشجوی دکترا در دانشگاه رایس و از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: ما فتوشیمی پلاسمونی را انجام می‌دهیم. پلاسمون در اینجا واقعاً کلید ماست، زیرا پلاسمون‌ها واقعاً جاذب‌های نور کارآمدی هستند و می‌توانند حامل‌های بسیار پرانرژی تولید کنند که می‌توانند شیمی مورد نیاز ما را بسیار کارآمدتر از ترموکاتالیز معمولی انجام دهند.

این سیستم کاتالیست جدید از نانوذرات مس به عنوان آنتن‌های جمع‌آوری انرژی استفاده می‌کند.

از آنجایی که سطح پلاسمونی نانوذرات مس به خوبی با متان پیوند نمی‌خورد، اتم‌ها و خوشه‌های رودیم به عنوان محل‌های واکنش اضافه شدند.

ذرات رودیوم مولکول‌های آب و متان را به سطح پلاسمونی متصل می‌کنند و از انرژی حامل‌های داغ برای هدایت واکنش SMR استفاده می‌کنند.

یوان می‌گوید: ما بسیاری از سیستم‌های کاتالیزوری را آزمایش کردیم، اما این یکی بهترین عملکرد را داشت.

این پژوهش نشان می‌دهد که فناوری آنتن-راکتور می‌تواند به طور موثری غیرفعال‌سازی کاتالیزور ناشی از اکسیداسیون و کُک‌سازی را برطرف کند.

این فناوری، کاتالیزور را با استفاده از نور با استفاده از حامل‌های داغ برای حذف گونه‌های اکسیژن و رسوبات کربن با موفقیت بازسازی می‌کند.

نوردلندر می‌گوید کلید این اثر قابل توجه، قرارگیری هوشمندانه رودیوم است که به طور کم و ناهموار در سطح نانوذرات پخش می‌شود.

هیدروژن در حال حاضر بیشتر در تاسیسات بزرگ و متمرکز تولید می‌شود که برای انتقال گاز به محل استفاده نیاز دارند.

در مقابل، SMR نور محور است و امکان تولید هیدروژن بر حسب تقاضا را فراهم می‌کند که یک مزیت کلیدی برای استفاده در کاربردهای مرتبط با حمل و نقل مانند ایستگاه‌های سوخت هیدروژن یا وسایل نقلیه است.

هالاس در پایان می‌گوید: این پژوهش پتانسیل فتوشیمی نوآورانه را برای تغییر شکل فرآیندهای مهم صنعتی نشان می‌دهد و ما را به آینده انرژی پایدار از نظر زیست‌محیطی نزدیک‌تر می‌کند.