طراحی نانوفتوکالیستی جهت تسریع تولید هیدروژن از آب

 

فوتوکاتالیست‌های نیمه‌رسانای آلی که طراحی شده‌اند، می‌توانند تولید هیدروژن از آب را با استفاده از نور خورشید آسان‌تر کنند.

 

نور خورشید فراوان‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر است، اما ناتوانی آن در تولید سطوح انرژی ثابت در طول زمان به این معنی است که نمی‌تواند نیاز‌های انرژی را در صورت تقاضا برآورده کند. یک گزینه امیدوارکننده، ذخیره انرژی خورشیدی به عنوان سوخت هیدروژنی تمیز است که از آب در حضور یک کاتالیزور پاسخگو به نور به دست می‌آید.

 

اکثر فوتوکاتالیست‌های تولیدکننده هیدروژن از نیمه‌هادی‌های معدنی مانند دی اکسید تیتانیوم تشکیل شده‌اند که تقریباً به طور انحصاری نور ماوراء بنفش را جذب می‌کنند. اما از آنجایی که نور فرابنفش کمتر از پنج درصد طیف خورشیدی را نشان می‌دهد، فتوکاتالیست‌های حاصل برای استفاده تجاری کارآمد نیستند.

 

یک تیم بین‌المللی به سرپرستی ایین مک‌کالوچ و دکتر جان کوسکو توانستند فوتوکاتالیست مبتنی بر مواد نیمه‌رسانای آلی بسازند.

 

کوسکو توضیح می‌دهد: «هر چه فوتوکاتالیست نور بیشتری جذب کند، می‌تواند انرژی خورشیدی را با کارایی بیشتری به هیدروژن تبدیل کند. بنابراین، توسعه فوتوکاتالیست‌هایی که در طیف گسترده‌ای از طول موج‌های مرئی-فرابنفش مادون قرمز فعال هستند، برای به حداکثر رساندن جذب نور مهم است.»

 

فوتوکاتالیست‌های مبتنی بر نیمه هادی، هنگامی که در معرض نور قرار می‌گیرند، جفت الکترون و حفره‌هایی با بار مثبت یا اکسیتون‌ها تولید می‌کنند که به بار‌های آزاد تجزیه می‌شوند و متعاقباً می‌توانند به سطح فوتوکاتالیست مهاجرت کرده و موجب تولید هیدروژن شوند. با این حال، اکسایتون‌ها در نیمه هادی‌های آلی تک جزئی معمولی به شدت متصل هستند، که جداسازی بار و کارایی فوتوکاتالیستی را محدود می‌کند.

 

محققان مواد نیمه هادی دهنده و گیرنده الکترون را ترکیب کردند تا نانوذراتی را تشکیل دهند که به‌عنوان فوتوکاتالیست‌های هیبریدی ناهمگون شناخته می‌شوند، که پیکربندی کلی گپ باند آن باعث افزایش تفکیک اکسایتون در سطح مشترک نیمه‌رسانا می‌شود.

 

جان کوسکو می‌گوید: «ما بار‌های بیشتری را در این نانوذرات نسبت به سامانه‌هایی که از نیمه هادی‌های مجزا تشکیل شده بودند، تولید کردیم که در نهایت تولید هیدروژن را بهبود بخشید.»

 

در واقع این هیبرید ناهمگون منجر به تولید بار‌هایی با دوام بالا در نانوذرات شد. کوسکو می‌گوید: «بار‌ها معمولاً در مقیاس زمانی میکروثانیه‌ای دوباره ترکیب می‌شوند، اما ما بار‌ها را در نانوذرات خود حتی چند ثانیه پس از برانگیختگی مشاهده کردیم.»

 

او اضافه می‌کند که این موضوع برای عملکرد کاتالیزور بسیار مهم است، زیرا زمان بیشتری را به بار‌ها می‌دهد تا در واکنش‌های ردوکس نسبتا کند در سطح نانوذرات شرکت کنند.

 

این تیم اکنون در حال بررسی راه‌هایی برای اعمال فوتوکاتالیست‌های جدید در طرح‌های شکاف آب هستند، جایی که فوتوکاتالیست‌های تولید هیدروژن و اکسیژن برای تولید هیدروژن و اکسیژن به طور همزمان جفت می‌شوند.