رکوردشکنی سوخت خورشیدی با کاتالیزور جدید: ۶۰ برابر کارآمدتر
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان رکورد‌های قبلی بهره‌وری برای تولید سوخت پاک از نور خورشید، آب و CO۲ را شکستند.
محققان موسسه علوم توکیو و دانشگاه هیروشیما روش سنتز جدیدی را توسعه داده‌اند که فعالیت یک فوتوکاتالیست را تا ۶۰ برابر افزایش می‌دهد.
ماده جدید آنها به بازده کوانتومی بی‌سابقه‌ای تقریباً ۱۵٪ برای تولید هیدروژن (H۲) و بازده امیدوارکننده ۱۰٪ برای تبدیل دی‌اکسید کربن (CO۲) به اسید فرمیک، یک سوخت مایع، دست می‌یابد.
تولید ذرات بسیار متخلخل
این پیشرفت، چالش جهانی ایجاد انرژی پایدار را با مهار نور خورشید برای چیزی بیش از تولید برق، برطرف می‌کند. این تیم بر روی دسته‌ای از مواد به نام اکسی‌هالید‌های مبتنی بر سرب (Pb۲Ti۲O۵.۴F۱.۲ یا PTOF) تمرکز کرد که به دلیل توانایی‌شان در جذب نور مرئی و مقاومت در برابر شرایط شیمیایی سخت، مورد توجه هستند.
محققان در یک مطالعه جدید گفتند: «اکسیهالیدها، فوتوکاتالیست‌های نور مرئی نویدبخشی برای تجزیه آب و تبدیل CO۲ هستند؛ با این حال، آنهایی که فعالیت بالایی برای این واکنش‌ها نشان می‌دهند، به ندرت گزارش شده‌اند.»
کلید این افزایش عملکرد عظیم، طراحی مجدد رادیکال ساختار کاتالیزور در مقیاس نانو بود. این روش جدید ذرات بسیار متخلخلی با مساحت سطحی حدود ۴۰ متر مربع بر گرم تولید می‌کند که در تضاد کامل با مساحت سطحی ۲.۵ متر مربع بر گرم ذرات ساخته شده به روش مرسوم است.
پروفسور کازوهیکو مائدا، که از رهبران این تحقیق است، اظهار داشت: «این مطالعه بر اهمیت کنترل مورفولوژی اکسیهالیدها برای آشکار کردن پتانسیل کامل آنها به عنوان فوتوکاتالیست تأکید می‌کند.»
ایجاد ذرات PTOF فوق العاده کوچک
USP تحقیقات این تیم، یک فرآیند سنتز با کمک مایکروویو در دمای پایین است.
با جایگزینی منبع تیتانیوم سنتی (TiCl۴) با کمپلکس‌های تیتانیوم محلول در آب که با دقت انتخاب شده‌اند، آنها توانستند ذرات PTOF کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر ایجاد کنند.
این کوچک‌سازی بسیار مهم است، زیرا مسافتی را که حامل‌های بارِ دارای انرژی نور باید برای رسیدن به سطح ذره جهت انجام واکنش شیمیایی طی کنند، کوتاه می‌کند.
معمولاً، کوچکتر کردن ذرات می‌تواند باعث ایجاد نقص‌های ساختاری شود که به عملکرد آسیب می‌رساند.
با این حال، روش ملایم و سازگار با محیط زیست این تیم از این مشکل جلوگیری می‌کند. یکی از جنبه‌های جذاب یافته‌های آنها این بود که اگرچه تحرک حامل‌های بار در ذرات نانویی جدید کمتر بود، اما مسافت پیمایش به طرز چشمگیری کوتاه‌تر، این کمبود را جبران می‌کرد.
این به معنای آن بود که حامل‌های بار کمتری در اثر بازترکیب از دست می‌رفتند و احتمال شرکت آنها در واکنش‌های تولید سوخت بسیار بیشتر می‌شد.
مقابله با چالش‌های جهانی انرژی
مائدا در پایان گفت: «روش سنتزی که در این مطالعه ایجاد شده است، با استفاده از یک فرآیند سازگار با محیط زیست، عملکرد فوتوکاتالیستی پیشرو در جهان را برای تولید H۲ و تبدیل CO۲ به اسید فرمیک در میان فوتوکاتالیست‌های اکسی‌هالید فراهم می‌کند.»
«انتظار می‌رود این یافته‌ها به طور قابل توجهی به توسعه مواد نوآورانه‌ای که به رفع چالش‌های جهانی انرژی کمک می‌کنند، کمک کند.»
در تحولی دیگر، محققان چینی روشی را توسعه داده‌اند که بالاترین راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن را در فوتوکاتد‌های سولفید قلع روی مس (CZTS-cu۲ZnSnS۴) ارائه می‌دهد.
محققان با استفاده از یک تکنیک آسان و همه‌کاره مهندسی لایه بذر پیش‌ساز (PSLE)، سقف عملکرد فوتوکاتد‌های Cu۲ZnSnS۴ (CZTS) فراوان در زمین را شکستند و به رکورد راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن (HC-STH) نیم‌سلول با ۹.۹۱ درصد دست یافتند.