شکستن رکورد تولید هیدروژن از اسیدفرمیک با نور خورشید

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان فتوکاتالیست نانویی ساختند که می‌تواند با بازده بالا از اسیدفرمیک، هیدروژن تولید کند. این کار در حضور نور خورشید انجام می‌شود.

زمانی که امیلیانو کورتس به دنبال استفاده از نور خورشید بود، از آینه‌های غول پیکر یا مزارع خورشیدی گسترده استفاده نکرد بلکه برعکس، او از دنیای نانو برای رسیدن به این هدف استفاده نمود.

کورتس می‌گوید: «جایی که فوتون‌ها، ذرات پر انرژی نور خورشید، با ساختار‌های اتمی برخورد می‌کنند، جایی است که تحقیقات ما آغاز می‌شود. ما در حال کار بر روی راه‌حل‌هایی برای جذب و استفاده موثرتر از انرژی خورشیدی هستیم.»

یافته‌های او پتانسیل بالایی دارند، زیرا سلول‌های خورشیدی و فوتوکاتالیست‌های جدید را فعال می‌کنند. صنعت امید زیادی به فوتوکاتالیست‌ها دارد، زیرا آن‌ها می‌توانند انرژی نور را برای واکنش‌های شیمیایی در دسترس قرار دهند. اما کورتس می‌داند که یک چالش بزرگ برای استفاده از نور خورشید وجود دارد که در سلول‌های خورشیدی باید با آن مقابله کرد: نور خورشید رقیق به زمین می‌رسد، بنابراین انرژی در هر منطقه نسبتاً کم است. پنل‌های خورشیدی با پوشاندن مناطق وسیع این امر را جبران می‌کنند.

کورتس، اما از جهتی دیگر به مشکل نزدیک می‌شود. او با تیم خود در موسسه نانو LMU در حال توسعه نانوساختار‌های پلاسمونیک است که می‌توانند برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی استفاده شود.

در این پروژه که نتایج آن در مجله Nature Catalysis منتشر شده است، کورتس، همراه با دکتر ماتیاس هران، در موسسه فریتز هابر برلین، و محققانی از دانشگاه آزاد برلین و دانشگاه هامبورگ، یک ابر بلور دو بعدی را ارائه کردند که با کمک نور خورشید هیدروژن را از اسید فرمیک استخراج می‌کند.

کورتس خاطرنشان می‌کند: «در واقع این ماده آنقدر برجسته است که رکورد جهانی تولید هیدروژن با استفاده از نور خورشید را دارد. این خبر خوبی برای صنعت تولید فتوکاتالیست و صنعت تولید هیدروژن است، زیرا آن‌ها نقش مهمی در انتقال موفق انرژی دارند.»

کورتس و هران برای ابر کریستال خود از دو فلز مختلف در مقیاس نانو استفاده کردند. هران توضیح می‌دهد: «ما ابتدا ذراتی در محدوده ۱۰ تا ۲۰۰ نانومتر از فلز پلاسمونیک طلا ایجاد می‌کنیم.»

در این مقیاس، پدیده خاصی در مورد فلزات پلاسمونیک رخ می‌دهد که شامل نقره، مس، آلومینیوم و منیزیم نیز می‌شود: نور مرئی به شدت با الکترون‌های فلز برهم‌کنش می‌کند و باعث می‌شود که آن‌ها به صورت رزونانسی نوسان کنند. این بدان معناست که الکترون‌ها به‌طور جمعی با سرعت بسیار زیادی از یک طرف نانوذره به سمت دیگر حرکت می‌کنند و نوعی مینی آهنربا ایجاد می‌کنند. کارشناسان از آن به‌عنوان یک لحظه دوقطبی یاد می‌کنند.

کورتس توضیح می‌دهد: «می‌توان این فرآیند را به‌عنوان یک ابرعدسی که انرژی را متمرکز می‌کند، در نظر گرفت. نانومواد ما این کار را انجام می‌دهند، اما در مقیاس مولکولی. این ویژگی به نانوذرات اجازه می‌دهد تا نور خورشید بیشتری را جذب کرده و آن را به الکترون‌های بسیار پر انرژی تبدیل کنند. این‌ها به نوبه خود به تحریک واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کنند.»

در واقع هات‌اسپات‌های نانویی قدرت کاتالیزوری را آزاد می‌کنند. هران می‌گوید: «آرایه‌های نانوذرات طلا نور ورودی را بسیار کارآمد، با بازده بالا، متمرکز می‌کنند که اصطلاحاً نقاط داغ نامیده می‌شوند. از این نقاط داغ برای انجام واکنش شیمیایی استفاده می‌شود.»

محققان با نرخ تولید ۱۳۹ میلی‌مول در ساعت هیدروژن از اسید فرمیک برای هر گرم کاتالیزور، در حال حاضر رکورد جهانی تولید H ۲ با نور خورشید را شکستند.