طراحی فتوکاتالیست نانویی پیشرفته با همکاری بین‌المللی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، محققان دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه پلی‌تکنیک مادرید، دانشگاه بینگهامتون آمریکا، دانشگاه صنعتی لون بلژیک، موسسات پیشرفته فناوری شنژن چین و دانشگاه علوم پزشکی البرز موفق به طراحی یک فتوکاتالیست نانویی پیشرفته از جنس نانوذرات سولفیدی با آنتروپی بالا (CoFeNiMnCu) S ۲ روی لایه‌های نازک گرافیتی g-C ۳ N ۴ شده‌اند.

این ترکیب نانویی با ایجاد تعامل الکترونیکی چندفلزی و ساختار آمورف–کریستالی، بازده تبدیل CO ۲ به متان و سینگاز را به طرز چشمگیری افزایش داده است.

نانوذرات HEMS علاوه بر تسهیل جذب CO ۲ و انتقال بار الکتریکی، ثبات طولانی‌مدت فتوکاتالیست را تضمین می‌کنند و امکان استفاده پایدار و اقتصادی از این فناوری برای تولید سوخت‌های تجدیدپذیر را فراهم می‌آورند.

با افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و بحران انرژی، محققان در پی یافتن روش‌های پایدار برای تبدیل دی‌اکسید کربن به سوخت‌های ارزشمند هستند. یکی از موثرترین رویکردها، استفاده از انرژی خورشیدی برای فتوکاهش CO ۲ است که می‌تواند به تولید متان و سینگاز با ارزش افزوده منجر شود. در این مسیر، توسعه کاتالیست‌های پایدار، کارآمد و مقاوم، اهمیت ویژه‌ای دارد.

در یک مطالعه بین‌المللی، تیمی از محققان دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه پلی‌تکنیک مادرید، دانشگاه بینگهامتون، KU Leuven، موسسات پیشرفته فناوری شنژن و دانشگاه علوم پزشکی البرز موفق به طراحی یک نانوساختار پیشرفته برای فتوکاهش CO ۲ شدند. این نانوساختار، شامل نانوذرات سولفیدی با آنتروپی بالا (CoFeNiMnCu) S ۲ است که به صورت in situ روی لایه‌های بسیار نازک گرافیتی g-C ۳ N ۴ رشد کرده‌اند. ترکیب این دو ماده، ساختاری آمورف–کریستالی ایجاد می‌کند که انتقال بار الکتریکی را تسهیل و جذب CO ۲ را بهبود می‌بخشد.

مزیت اصلی این سیستم، تعامل الکترونیکی چندفلزی بین عناصر Co، Fe، Ni، Mn و Cu است که موجب توزیع نامتقارن بار‌های الکترونی و اختلال اتمی می‌شود و در نتیجه مسیر‌های واکنشی برای تولید متان و سینگاز بهینه می‌گردد. آزمایش‌ها نشان داد که بازده این سیستم در فاز‌های مایع–جامد و گاز–جامد به ترتیب به ۱۰۶۳ و ۱۸۸۳ میکرومول بر گرم در ساعت و ۲۵۰ و ۳۲۱ میکرومول بر سانتی‌متر مربع در ساعت برای متان و سینگاز می‌رسد، که این میزان‌ها نشان‌دهنده عملکرد بسیار بالا و قابل رقابت با پیشرفته‌ترین کاتالیست‌های موجود هستند.

علاوه بر بازده بالا، نانوساختار HEMS@g-C ۳ N ۴ ثبات طولانی‌مدت و قابلیت بازیابی را نیز ارائه می‌دهد. آزمایش‌های چرخه‌ای و طولانی‌مدت نشان داد که عملکرد کاتالیست در طول زمان تغییر قابل توجهی نمی‌کند و این امر استفاده صنعتی و پایدار از این فناوری را ممکن می‌سازد.

برای ساخت این نانوساختار، محققان از استراتژی دو مرحله‌ای سولفوریزاسیون الکلی با خودالگویابی گلیسرات استفاده کردند. این روش به حل مشکل ناسازگاری فلزات چندگانه کمک می‌کند و امکان تشکیل یک ساختار یکپارچه با آنتروپی بالا را فراهم می‌آورد.

ترکیب مزایای سولفید‌های فلزی و مواد با آنتروپی بالا، ویژگی‌های فتوالکتروشیمیایی و بافتی منحصر به فردی ایجاد می‌کند که در تسریع واکنش‌های CO ۲ و افزایش بازده محصول نقش کلیدی دارد.

این دستاورد نشان می‌دهد که استفاده همزمان از مواد سولفیدی و ساختار‌های با آنتروپی بالا می‌تواند راهکاری مؤثر برای تولید پایدار سوخت‌های تجدیدپذیر و کاهش دی‌اکسید کربن در مقیاس صنعتی باشد. فناوری HEMS@g-C ۳ N ۴ نمونه‌ای موفق از بهره‌گیری از نانومواد چندفلزی و نانوذرات پیچیده برای حفاظت محیط‌زیست و توسعه انرژی‌های پاک به شمار می‌رود و چشم‌انداز‌های امیدوارکننده‌ای برای تحقیقات آینده در زمینه فتوکاتالیست‌ها و اقتصاد سبز ارائه می‌دهد.