تبدیل آب به سوخت هیدروژن با فتوسنتز

ايسنا

بروزرسانی 1399/06/01 - 08:00

ايسنا/ به نظر مي رسد ما در آستانه مشاهده تجاري شدن تبديل آب به سوخت هيدروژني هستيم، چرا که دانشمندان با استفاده از فتوسنتز موفق به انجام اين کار شده اند.

با رشد اقتصاد جهاني تقاضا براي انرژي بيشتر شده است، اما سياره ما در آستانه تسليم شدن در برابر خواسته هاي ماست. اينجاست که انرژي هاي کارآمد و سبز بايد بکار گرفته شوند تا منابع طبيعي زمين بيش از اين استفاده نشوند.

دانشمندان اکنون با استفاده از روش تبديل انرژي خورشيدي به سوخت به رکورد بهره وري دست يافته اند. ايده آنها اجراي مکانيسم هاي فتوسنتز براي افزايش هرچه بيشتر بازدهي تبديل انرژي است.

دکتر "ليلاک اميراف" محقق اصلي اين مطالعه مي گويد: ما مي خواهيم يک سيستم فوتوکاتاليستي بسازيم که از نور خورشيد براي ايجاد واکنش هاي شيميايي با اهميت زيست محيطي استفاده مي کند.

وي و گروهش در حال طراحي يک فتوکاتاليست هستند که مي تواند هيدروژن را از آب جدا کند.

وي توضيح مي دهد: وقتي نانوذرات ميله اي شکل را در آب قرار مي دهيم و به آنها نور مي تابانيم، آنها بارهاي الکتريکي مثبت و منفي توليد مي کنند. بدين ترتيب در اين فرآيند، مولکول هاي آب شکسته مي شوند، بارهاي منفي باعث توليد هيدروژن مي شوند(کاهش) و بارهاي مثبت اکسيژن توليد مي کنند(اکسيداسيون). اين دو واکنش که شامل بارهاي مثبت و منفي هستند، بايد همزمان انجام شوند. بدون بهره گيري از بارهاي مثبت، بارهاي منفي براي توليد هيدروژن مورد نظر قابل هدايت نيستند.

همانطور که همه ما مي دانيم، بارهاي مخالف يکديگر را جذب مي کنند. اگر بارهاي مثبت و منفي فرصتي براي ادغام پيدا کنند، هيچ چيزي براي دانشمندان باقي نمي گذارد. بنابراين نگه داشتن ذرات با بارهاي متفاوت لازم است.

محققان براي انجام اين کار، ساختارهاي ناهمگون منحصر به فردي را طراحي کردند که شامل نيمه هادي ها يا رساناهاي مختلف به همراه کاتاليزورهاي فلزي و اکسيد فلزي هستند. آنها يک سيستم مدل براي مطالعه کاهش و اکسايش ايجاد کرده اند و ساختارهاي ناهمگن را براي عملکرد بهتر بهينه کرده اند.

در يک تحقيق در سال ۲۰۱۶ همين تيم ساختار ناهمگون ديگري را طراحي کرده بود که نقطه کوانتومي کادميوم-سلنيد در يک انتها بار مثبت را به خود جلب مي کرد، در حالي که بار منفي از طرف ديگر جمع مي شد.

يک ساختار هاي ناهمگون در يک بستر(معمولاً يک ماده نيمه رسانا) است، جايي که اندازه حرکات حامل هاي شارژ را مجبور مي کند آنها را در محدوده کوانتومي محدود کند. اين منجر به تشکيل مجموعه اي از سطوح انرژي گسسته مي شود که حامل ها مي توانند وجود داشته باشند. ساختارهاي کوانتومي داراي چگالي واضح تر از ساختارهاي بزرگتر هستند.

ساختارهاي ناهمگون کوانتومي براي ساخت ديودهاي نوري کوتاه مدت و ليزر ديودي و ديگر کاربردهاي اپتوالکترونيک مانند سلول هاي فتوولتائيک با کارايي بالا مهم هستند.

"اميراف" گفت: با تنظيم اندازه نقطه کوانتومي و طول ميله و همچنين ساير پارامترها ما به ميزان ۱۰۰ درصد تبديل آب به هيدروژن توسط نور خورشيد دست يافتيم. در اين سيستم، يک نانوذره فوتوکاتاليست منفرد مي تواند ۳۶۰ هزار مولکول هيدروژن را در يک ساعت تجزيه کند.

نقاط کوانتومي(QDs) نيمه هادي هاي کوچک و با اندازه چند نانومتر هستند و داراي خواص الکترونيکي هستند که به دليل مکانيک کوانتومي با ذرات بزرگتر تفاوت دارند. آنها موضوعي اصلي براي فناوري نانو هستند. هنگامي که نقاط کوانتومي توسط نور ماوراء بنفش روشن مي شوند، يک الکترون در نقطه کوانتومي مي تواند در حالت انرژي بالاتر هيجان زده شود. در مورد نقطه کوانتومي، اين فرآيند مربوط به انتقال يک الکترون از باند Valence به باند رسانايي است. الکترون هيجان زده مي تواند به نوار ظرفيتي بازگردد و انرژي خود را با انتشار نور آزاد کند که رنگ آن نور به اختلاف انرژي بين باند رسانا و باند ظرفيت بستگي دارد.

به زبان علم مواد، مواد نيمه هادي نانو مقياس محکم يا الکترون ها يا سوراخ هاي الکتروني را محکم بسته اند. نقاط کوانتومي بعضي اوقات به اتم هاي غير مصنوعي گفته مي شود و بر تکين بودن آنها، داشتن حالتهاي الکترونيکي محدود مانند مواد اتمي يا مولکول هاي طبيعي تأکيد مي شود. نشان داده شده است که موج الکترونيکي توابع کوانتومي را با اتم هاي واقعي شباهت مي دهد. با اتصال دو يا چند نقطه کوانتومي، مي توان يک مولکول مصنوعي ساخت.

نقاط کوانتومي داراي خواص واسطه اي بين نيمه هادي هاي فله و اتم ها يا مولکول هاي گسسته هستند. ويژگي هاي انتخابي آنها به عنوان تابعي از اندازه و شکل تغيير مي کند.

کاربردهاي بالقوه نقاط کوانتومي شامل ترانزيستورهاي تک الکتروني، سلول هاي خورشيدي ، LED ها، ليزرها، منابع تک فوتوني، نسل دوم هارمونيک، محاسبات کوانتومي و تصويربرداري پزشکي است. اندازه کوچک آنها اجازه مي دهد تا برخي QD ها در محلول به حالت تعليق درآيند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان و پوشش اسپين شود.

عبور از فرآيند اکسيداسيون آب يک چالش مهم است، زيرا چندين مرحله دارد. همچنين فرآورده هاي جانبي واکنش، ثبات نيمه هادي را به خطر مي اندازد.

محققان در اين مطالعه با رويکردي متفاوت پيش رفته اند. اين بار به جاي آب از ترکيباتي بنام بنزيلامين براي قسمت اکسيداسيون استفاده کردند. با اين روش آب به هيدروژن و اکسيژن تجزيه مي شود، در حالي که بنزيلامين به بنزآلدئيد تبديل مي شود.

محققان اکنون به دنبال ترکيبات ديگري هستند که براي تبديل انرژي خورشيدي به شيمي مناسب باشد. با بکار گرفتن هوش مصنوعي در کنار اينها، محققان در جستجوي ترکيباتي هستند که مي توانند براي اين فرآيند مناسب باشند.