تولید هم‌زمان برق و آب شیرین از آب دریا

دکتر علیرضا مشفق، عضو هیئت‌علمی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف با همکاری جمعی از پژوهشگران دانشگاه‌های شریف، SKKU کشور کره جنوبی و الزهرا با حل یک مسئله چالشی برای کاهش مصرف مواد کربنی در حوزه تولید انرژی، موفق شد مقاله خود را در مجله معتبر ACS Catalysis به چاپ برساند.

این مقاله با عنوان «میکرو کره‌های سلسله مراتبی نیکل اکسید مبتنی بر آرایه‌ای از نانو میله‌ها به‌عنوان الکتروکاتالیست با عملکرد دوگانه برای تجزیه‌ی فوتولیز/الکترولیز انتخابی و مقاوم در برابر خوردگیِ آب دریا»، با حل نظری و تجربی یک مسئله چالشی برای کاهش مصرف مواد کربنی در حوزه تولید انرژی، اکنون نوید به‌کارگیری منابع فراوان و پاک روی کره زمین (فناوری فوتوولتائیک در آب دریا) را می‌دهد.

در این مقاله آمده است؛ یکی از اصلی‌ترین چالش‌هایی که بشر در قرن ۲۱ با آن مواجه است، بحران تأمین انرژی است. حدود ۸۵ درصد مصرف کل انرژی جهان از طریق به‌کارگیری سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود. منابع سوخت‌های فسیلی محدود هستند و در سال‌های آینده جواب‌گوی نیاز انرژی بشر نخواهند بود. همچنین باعث انتشار میزان زیادی گازهای گلخانه‌ای ازجمله کربن دی‌اکسید می‌شوند. به دنبال گسیل گازهای گلخانه‌ای در فضا، تغییرات اقلیمی ازجمله تغییر در میزان بارش‌های سالیانه و تغییر در pH آب دریاها در حال وقوع است که سلامت بشر را تهدید می‌کند. درواقع، اثرات زیست‌محیطی زیان‌بار به شکل وسیعی در حال گسترش هستند و با ادامه‌ شرایط فعلی سیاره‌ زمین به سمت شرایط غیرقابل قبولی برای نسل‌های آتی پیش خواهد رفت.

برای رفع این مشکلات، تحولات اساسی در حوزه انرژی و پذیرش جامعه برای مصرف کمتر از مواد کربنی امری بسیار ضروری است. ازاین‌رو اهمیت به‌کارگیری منابع تمیز و تجدیدپذیر به‌عنوان جایگزینی مناسب و بالقوه برای سوخت‌های فسیلی بیش‌ازپیش الزامی است.

هیدروژن یک حامل انرژی پاک و قابل ذخیره‌سازی، پایدار و دوستدار محیط‌زیست است که می‌تواند از طریق الکترولیز آب تولید شود و در جهت مبارزه با تغییرات اقلیمی و رسیدن به میزان صفر انتشار گازهای گلخانه‌ای مؤثر واقع شود. زیرا چرخه تولید و مصرف و بازسازی هیدروژن بدون انتشار کربن انجام می‌شود. اما تولید هیدروژن از طریق تجزیه آب خالص در جهان فشار زیادی به منابع آب شیرین وارد خواهد کرد. بنابراین، وابستگی فناوری الکترولیز آب به منابع آب شیرین یک تهدید بزرگ برای محیط‌زیست پایدار خواهد بود.

از طرفی آب‌های شور و کم کیفیت موجود در اقیانوس‌ها و دریاها به‌عنوان یکی از منابع فراوان بر روی کره‌ زمین هستند که می‌توانند در جهت رفع تغییرات اقلیمی و تأمین انرژی پاک به‌طور اقتصادی مورداستفاده قرار گیرند، به‌گونه‌ای که الکترولیز آب دریا برای تولید هیدروژن پایدار و اصلاحات زیستی می‌تواند به یک فناوری جذاب و انعطاف‌پذیر تبدیل شود. درواقع فناوری الکترولیز آب دریا یادآور ضرب‌المثل «با یک تیر دو نشان زدن است»، چراکه هم در جهت تولید هیدروژن و هم برای شیرین‌سازی آب دریا می‌تواند به‌کار گرفته شود. الکترومغناطیس‌ها به‌عنوان مؤلفه کلیدی سیستم‌های الکتروشیمیایی تجزیه آب دریا محسوب می‌شوند. ازاین‌رو توسعه و به‌کارگیری الکتروکاتالیست‌های مناسب که مواد آن‌ها ازلحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه هستند و پایداری خوبی در برابر خوردگی آب دریا دارند و درنهایت کارایی و عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند، در حوزه تأمین انرژی پاک و محیط‌زیست سالم، امری بسیار ضروری است.

حال در یک پژوهش پیشگامانه، گروهی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف، با تلاش خدیجه همتی (از دانشکده فیزیک) به سرپرستی دکتر علیرضا مشفق (از دانشکده فیزیک) و همکاری پژوهشگران دانشگاه SKKU کره جنوبی به سرپرستی دکتر هیویانگ لی (از دانشکده انرژی) و دکتر مرادلو از دانشگاه الزهرا (از دانشکده شیمی)، به‌صورت نظری و تجربی موفق به طراحی و ساخت الکتروکاتالیست‌هایی پایدار و زیست سازگار با هزینه‌های پایین با عملکرد دوگانه جهت تجزیه کارآمد و بادوام آب دریا به سوخت‌های هیدروژن و اکسیژن و همچنین تضعیف و کنترل واکنش‌های رقابتی و مزاحم موجود در آب دریا شدند.

به‌طور خلاصه، الکتروکاتالیست‌های نانو ساختار بر پایه نیکل شامل میکروکره‌های نیکل اکسید هستند، به‌طوری‌که سطح این میکروکره‌ها به‌صورت کاملاً یکنواخت و متراکم توسط آرایه‌ای از نانو ساختارهای میله‌ای شکل پوشیده شده که منجر به یک معماری با ساختار سلسه مراتبی سه‌بعدی با مورفولوژی قاصدک‌شکل خواهد شد. وجود و مشارکت سطح مؤثر بالا با سایت‌های فعال فراوان ناشی از تشکیل این معماری، بهبود فعالیت ذاتی هر سایت فعال و همچنین توانایی انتقال بار مؤثر ناشی از رسانایی الکتریکی خوب باعث افزایش فعالیت الکتروکاتالیستی سیستم توسعه‌یافته در راستای انجام هر دونیم واکنش تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن و تضعیف و کنترل واکنش‌های مزاحم و رقابتی در آب دریا می‌شود. پایداری خوب الکتروکاتالیست سنتز شده را می‌توان عمدتاً به دلیل مقاومت در برابر خوردگی ساختار سلسله مراتبی نیکل اکسید نسبت داد.

دستاوردهای حاصل از این پژوهش نه‌تنها امکان استفاده از الکتروکاتالیست‌های فلزات غیر نجیب برای تولید سوخت‌های هیدروژن و اکسیژن از آب شور دریا را مطرح می‌کند، بلکه رویکردی نو برای طراحی منطقی و مؤثر ساختارهای با معماری سلسله مراتبی سه‌بعدی به‌منظور استفاده در حوزه تبدیل و ذخیره انرژی ارائه می‌دهد.

این گروه پژوهشی همچنین موفق شدند یک سیستم یکپارچه خورشیدی تجزیه آب دریا را با استفاده از الکتروکاتالیست‌های توسعه داده‌شده راه‌اندازی کنند. یکی از مزیت‌های تولید هیدروژن با استفاده از تجزیه الکتروکاتالیستی آب شور دریا نیز سادگی و اقتصادی بودن آن است. به همین دلیل این سیستم قابلیت آن‌ را دارد که در مقیاس جهانی مورداستفاده قرار گیرد. ازاین‌رو چشم‌انداز وسیع‌تر این پژوهش طراحی و ساخت دستگاه تولید هم‌زمان الکتریسیته و آب شیرین با استفاده از هیدروژن و اکسیژن تولیدشده از آب دریا است.