توسعه نانوکاتالیست‌های تولید هیدروژن سبز با پایداری ۳۰۰ ساعته

ایسنا/ پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس ایران با همکاری دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین موفق به طراحی و ساخت یک کاتالیست پیشرفته برای واکنش تکامل اکسیژن (OER) شدند؛ واکنشی کلیدی در فرآیند الکترولیز آب و تولید هیدروژن سبز. آن‌ها با استفاده از یک روش سریع احتراقی، ترکیب نوینی از نانوساختارهای نیکل ـ آهن ـ سلنیوم را بر روی گرافن عمودی رشد دادند که با کربن نیتروژن‌دار اصلاح شده است. این طراحی باعث افزایش چشمگیر تعداد سایت‌های فعال، بهبود رسانایی الکتریکی و تثبیت فازهای کاتالیستی می‌شود.

در سال‌های اخیر، تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین راهکارها برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی و کاهش آلاینده‌های کربنی مطرح شده است. با این حال، یکی از موانع جدی توسعه فناوری الکترولیز، کارایی پایین و دوام محدود کاتالیست‌هایی است که واکنش تکامل اکسیژن (OER) را در آند تسهیل می‌کنند. این واکنش به‌دلیل نیاز به شکستن پیوندهای محکم مولکول آب و آزادسازی اکسیژن، به‌طور ذاتی کند و پرانرژی است و همین امر سبب شده پژوهشگران در سراسر جهان به دنبال طراحی مواد نوین برای بهبود سرعت و پایداری آن باشند.

---

بازار

---

تیمی از محققان دانشگاه تربیت مدرس ایران با همکاری دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین موفق به توسعه کاتالیست جدیدی شدند که هم کارایی بالایی در واکنش OER دارد و هم پایداری بلندمدتی از خود نشان می‌دهد. آن‌ها با به‌کارگیری یک روش احتراقی سریع و ساده، نانوساختارهایی از ترکیب نیکل و آهن با سلنیوم را بر روی بستر گرافن عمودی (VG) رشد دادند و همزمان سطح آن را با کربن نیتروژن‌دار اصلاح کردند. این ساختار که NC@(NixFe۱-x) Se/VG نام دارد، ترکیبی از رسانایی الکتریکی بالا، پایداری شیمیایی و قابلیت ایجاد سایت‌های فعال متعدد را در خود جمع کرده است.

یکی از مشکلات رایج در کاتالیست‌های مبتنی بر نیکل و آهن، شسته‌شدن گونه‌های فعال در طول واکنش و در نتیجه کاهش شدید عملکرد است. پژوهشگران برای رفع این مشکل، از سلنیوم بهره گرفتند. حضور سلنیوم موجب تشکیل فازهای فعال جدید از طریق بازسازی سطحی در حین واکنش شد. به‌ویژه، محاسبات تئوری مبتنی بر نظریه تابع چگالی (DFT) نشان داد که در این ترکیب، لایه‌ای از Ni۰.۷۵Fe۰.۲۵Se/Ni۰.۷۵Fe۰.۲۵OOH به‌طور درجا شکل می‌گیرد که هم توانایی جذب واسطه‌های واکنش را بهینه می‌کند و هم سطحی پایدار برای ادامه واکنش فراهم می‌آورد.

از سوی دیگر، وجود گونه‌های سلنواکسید جذب‌شده روی سطح، نقش حفاظتی مهمی ایفا می‌کند و مانع از تخریب یا جداشدن فعال‌سازهای اصلی نیکل و آهن می‌شود. این ویژگی موجب می‌شود که کاتالیست جدید، پایداری طولانی‌مدتی از خود نشان دهد. در آزمایش‌های انجام‌شده، این الکترود توانست در چگالی جریان ۲۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تنها با ۲۲۰ میلی‌ولت اورپتانسیل کار کند؛ عددی که در مقایسه با بسیاری از کاتالیست‌های مشابه به‌طور چشمگیری کمتر است. افزون بر این، پایداری عملکرد آن بیش از ۳۰۰ ساعت گزارش شد که نشان از استحکام بالای ساختار و عدم افت قابل‌توجه در کارایی دارد.

ویژگی مهم دیگر این دستاورد، طراحی ناهمگن و شبکه‌ای نانوساختارهاست. این طراحی، مسیرهای متعددی برای انتقال سریع الکترون و یون در اختیار سیستم قرار می‌دهد و به‌همین دلیل مقاومت انتقال بار به حداقل می‌رسد. به بیان دیگر، الکترود جدید نه‌تنها از لحاظ شیمیایی مقاوم‌تر است، بلکه از دیدگاه الکتروشیمیایی نیز بازدهی بالاتری ارائه می‌دهد. اهمیت این تحقیق در آن است که نه‌تنها یک ماده جدید برای واکنش تکامل اکسیژن معرفی می‌کند، بلکه رویکردی تازه برای پایدارسازی گونه‌های فعال در طول واکنش نیز ارائه می‌دهد. چنین راهبردی می‌تواند به توسعه کاتالیست‌های متنوع دیگری بر پایه فلزات انتقالی کمک کند و افق‌های تازه‌ای را برای طراحی الکترودهای خودپشتیبان در سیستم‌های الکترولیز آب بگشاید.

این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب نوآوری در طراحی مواد (مانند گرافن عمودی به‌عنوان بستر) و بهره‌گیری از بازسازی سطحی کنترل‌شده (از طریق حضور سلنیوم) می‌تواند همزمان دو چالش اصلی یعنی فعالیت پایین و پایداری محدود را برطرف کند. از این رو، NC@(NixFe۱-x)Se/VG نه‌تنها یک دستاورد علمی است، بلکه می‌تواند زمینه‌ساز توسعه صنعتی الکترولیزکننده‌های پایدار برای تولید هیدروژن سبز باشد.

با توجه به افزایش تقاضای جهانی برای انرژی‌های پاک و گذار به اقتصاد کم‌کربن، چنین پیشرفت‌هایی نقش کلیدی در آینده خواهند داشت.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در نشریه Small منتشر شده است.

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله