دستاورد پژوهشگران ایرانی در طراحی فوتوآند پیشرفته برای تولید هیدروژن

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، این سامانه که با بهره‌گیری از نانوساختار «اپال معکوس» در دی‌اکسید تیتانیوم و ماده پروسکایتی CsPbBr ۳، توانسته هم بازده جذب نور را افزایش دهد و هم پایداری دستگاه را در محیط آبی بهبود بخشد. این دستاورد می‌تواند یکی از چالش‌های اصلی تولید هیدروژن خورشیدی، یعنی افت عملکرد و ناپایداری مواد فعال، را کاهش دهد.

در این طرح همچنین از یک لایه کربنی رسانا شامل کربن بلک، گرافیت و تونر بازیافتی استفاده شده که ضمن کاهش هزینه، دوام سامانه را نیز بالا برده است. ثبت چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع بدون استفاده از هم‌کاتالیست، نشان می‌دهد این فناوری ظرفیت ورود به نسل آینده سامانه‌های تولید سوخت سبز را دارد.

در جهانی که وابستگی به سوخت‌های فسیلی همچنان یکی از عوامل اصلی آلودگی هوا، تغییرات اقلیمی و ناامنی انرژی به شمار می‌رود، یافتن روش‌هایی برای تولید سوخت پاک به یک ضرورت راهبردی تبدیل شده است. هیدروژن از جمله گزینه‌های امیدبخش در این مسیر است؛ زیرا هنگام مصرف تنها آب تولید می‌کند و می‌تواند در صنایع، حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی انرژی نقش مهمی داشته باشد. با این حال، تولید اقتصادی و کم‌هزینه هیدروژن همچنان یکی از چالش‌های مهم فناوری جهان است.

در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه اصفهان با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر، شرکت اپتیک نیرو در مرکز رشد دانشکده فنی‌وحرفه‌ای شمس‌پور، سامانه‌ای نوآورانه برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب طراحی کرده‌اند که می‌تواند گامی مؤثر در مسیر تولید هیدروژن خورشیدی باشد.

در این روش، نور خورشید برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. قلب این سامانه، فوتوآند یا الکترود نوری است؛ قطعه‌ای که نور را جذب کرده و بار‌های الکتریکی لازم برای انجام واکنش را فراهم می‌کند. هرچه این بخش کارآمدتر و پایدارتر باشد، امکان تولید هیدروژن با بازده بالاتر فراهم می‌شود.

پژوهشگران در این پروژه از ترکیب CsPbBr ۳، نوعی پروسکایت هالیدی غیرآلی، استفاده کرده‌اند. این ماده به دلیل قیمت نسبتاً پایین، قابلیت ساخت در دمای محیط، امکان تنظیم گاف انرژی و توان مناسب در انتقال حامل‌های بار، در سال‌های اخیر توجه زیادی را جلب کرده است. با این حال، فیلم‌های نازک این ماده در جذب کامل نور، به‌ویژه در مرز طول موج‌های جذب، محدودیت دارند و در محیط‌های آبی نیز دوام آنها چالش‌برانگیز است.

نقطه اصلی نوآوری این پژوهش در بخش نانویی آن نهفته است؛ جایی که دانشمندان از لایه نانوساختار دی‌اکسید تیتانیوم با معماری اپال معکوس استفاده کرده‌اند. اپال معکوس ساختاری سه‌بعدی با حفره‌های منظم در مقیاس نانو است که می‌تواند نور را پراکنده و درون ماده به دام اندازد. این ویژگی سبب می‌شود فوتون‌های بیشتری جذب شوند و بازده تبدیل انرژی افزایش یابد.

به بیان ساده، این ساختار نانویی مانند تالاری پر از آینه برای نور عمل می‌کند؛ نور بار‌ها درون ساختار بازتاب می‌شود و فرصت بیشتری برای جذب توسط لایه پروسکایتی پیدا می‌کند. همین مسئله یکی از دلایل اصلی افزایش عملکرد سامانه بوده است.

افزون بر این، لایه اپال معکوس TiO ۲ تنها نقش نوری ندارد، بلکه مانند داربستی برای جمع‌آوری و انتقال الکترون‌ها نیز عمل می‌کند. در سامانه‌های فتوالکتروشیمیایی، اگر بار‌های الکتریکی به‌سرعت جدا و منتقل نشوند، پیش از انجام واکنش از بین می‌روند. ساختار نانویی طراحی‌شده مسیر حرکت الکترون‌ها را کوتاه‌تر کرده و بازترکیب بار‌ها را کاهش می‌دهد. نتیجه این فرایند، افزایش راندمان جداسازی بار و تولید جریان نوری بیشتر است.

پژوهشگران برای رفع مشکل ناپایداری پروسکایت در تماس با الکترولیت آبی، راهکار دیگری نیز ارائه کرده‌اند. آنها یک لایه محافظ و رسانا از جوهر کربنی شامل کربن بلک، گرافیت و تونر کربنی بازیافتی را روی سطح پروسکایت قرار دادند. این لایه هم به حفاظت از ماده فعال کمک می‌کند و هم انتقال بار از الکترود به محلول را بهبود می‌بخشد. استفاده از مواد بازیافتی در این بخش نیز می‌تواند هزینه نهایی فناوری را کاهش دهد؛ اتفاقی نادر در جهانی که معمولاً فناوری‌های سبز را گران می‌سازند و بعد از مردم انتظار تشویق دارند.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد بهترین نمونه ساخته‌شده با آرایش شیشه/FTO/TiO ۲ فشرده/TiO ۲ مزوحفره‌ای/TiO ۲ اپال معکوس/CsPbBr ۳/C توانسته به چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع در ولتاژ ۱٫۲۳ ولت نسبت به الکترود هیدروژن برگشت‌پذیر دست یابد. این مقدار بدون استفاده از هم‌کاتالیست به دست آمده است؛ موضوعی که اهمیت اقتصادی و فناورانه این دستاورد را افزایش می‌دهد.

همچنین این سامانه توانست عملکرد خود را به مدت ۱۰ هزار ثانیه در شرایط pH خنثی حفظ کند؛ نکته‌ای مهم، زیرا بسیاری از فوتوآند‌های پروسکایتی در مدت کوتاهی دچار افت عملکرد می‌شوند.

بررسی‌های تکمیلی با روش‌های طیف‌سنجی فوتولومینسانس و امپدانس الکتروشیمیایی نیز نشان داد حضور ساختار نانویی اپال معکوس، جداسازی بار و انتقال الکترون را به شکل محسوسی بهبود داده است. به عبارت دیگر، این نانوساختار نه‌تنها نور بیشتری جذب می‌کند، بلکه از همان نور نیز هوشمندانه‌تر استفاده می‌کند؛ رفتاری که برای بسیاری از سامانه‌های انسانی هم آرزویی دست‌نیافتنی است.

اهمیت این پروژه فراتر از یک نتیجه آزمایشگاهی است. اگر چنین فناوری‌هایی به مقیاس صنعتی برسند، می‌توان از نور خورشید برای تولید هیدروژن پاک با هزینه کمتر استفاده کرد؛ سوختی که می‌تواند در نیروگاه‌ها، خودرو‌های پیل سوختی و صنایع انرژی‌بر به کار گرفته شود.

این پژوهش نشان می‌دهد ترکیب مواد نوظهور پروسکایتی با مهندسی نانوساختار‌ها می‌تواند راه تازه‌ای برای توسعه سامانه‌های انرژی پاک بگشاید. دستاورد محققان دانشگاه اصفهان و همکارانشان نمونه‌ای روشن از آن است که فناوری نانو چگونه می‌تواند از مقیاس اتم و نانومتر، بر مسئله‌ای به بزرگی بحران انرژی جهان اثر بگذارد.