برای دههها، پدیده سرریز هیدروژن (hydrogen spillover) یک معمای علمی بوده است که بی سر و صدا محققان را با پتانسیل خود برای ایجاد انقلاب در انرژی پاک مجذوب خود کرده است.
به گزارش تکناک، این پدیده شامل نانوذرات فلزی کوچکی است که بر روی اکسیدهای پایدار حرارتی مانند سیلیس لنگر انداخته و رفتار عجیبی از خود نشان می دهند. اتم های هیدروژن، شبیه به معادل های گریزان، از فلز به اکسید می ریزند و چیزی را که دانشمندان «سرریز هیدروژن» می نامند را تشکیل می دهند.
در حالی که این پدیده برای اولین بار در سال 1964 توصیف شد، ماهیت واقعی و پتانسیل آن در هاله ای از ابهام باقی ماند. با این حال، پیشرفت اخیر در دانشگاه ایالتی پن، این معمای دیرینه را روشن کرده است.
حل رمز و راز
برت چندلر، استاد مهندسی شیمی در ایالت پن، رهبری یک تیم تحقیقاتی را برعهده داشت که به آنچه زمانی غیرممکن تلقی می شد دست یافتند. آنها نه تنها چگونگی و چرایی سرریز هیدروژن را کشف کردند، بلکه اولین اندازه گیری کمی از این فرآیند پیچیده را نیز ارائه کردند.
یافتههای آنها که در Nature Catalysis منتشر شده است، درهایی را به روی درک عمیقتر از فعالسازی و ذخیرهسازی هیدروژن باز میکند که نویدبخش بخش انرژی پاک است.
چندلر توضیح داد که تیم تحقیقاتی از یک سیستم منحصر به فرد طلا روی تیتانیا استفاده کرده است که تقسیم کارآمد و برگشت پذیر مولکول های هیدروژن به اتم های هیدروژن را نشان می دهد.
این پیشرفت، که در دماهای بالاتر اتفاق میافتد، در مقایسه با روشهای متداول ذخیرهسازی هیدروژن که نیاز به خنککردن هیدروژن برای حفظ آن در حالت مایع دارند، به میزان قابل توجهی نیاز به انرژی را کاهش داد.
پیامدهای انرژی پاک
سیستم های سرریز هیدروژن شامل تقسیم گاز هیدروژن به معادل های اتم هیدروژن: پروتون ها و الکترون ها است. در این فرآیند، پروتونها به سطح ماده میچسبند در حالی که الکترونها وارد نوار رسانایی نزدیک به سطح اکسید نیمهرسانا میشوند. این کشف راه را برای کاربردهای نوآورانه از جمله تبدیل این اتم های هیدروژن به سوخت پاک و ذخیره هیدروژن هموار می کند.
آنچه این تحقیق را متمایز می کند نقش آنتروپی است که نقش مهمی در هدایت اتم ها از فلز به زیرلایه دارد. برخلاف مفروضات قبلی مبنی بر اینکه انرژی حرارتی نیروی محرکه اصلی است، تیم چندلر دریافت که آنتروپی عامل کلیدی است و درک دقیق تری از این پدیده ارائه می کند.
چندلر با تاکید بر اهمیت یافتههای آنها گفت: ما اکنون میتوانیم توضیح دهیم که سرریز هیدروژن چگونه کار میکند، چرا کار میکند و چه چیزی آن را به حرکت در میآورد. و برای اولین بار، ما توانستیم آن را اندازهگیری کنیم این نکته کلیدی است. هنگامی که کمیت آن را اندازه گیری کنید، میتوانید ببینید که چگونه تغییر میکند، و کنترل آن را به دست میگیرید.
چندلر توضیح داد: ما با انتخاب سیستم خود بسیار خوش شانس بودیم، زیرا ما قبلاً به نحوه عملکرد طلا به عنوان کاتالیزور علاقه مند بودیم. ما شیمی جدیدی را اختراع نکردیم. ما فقط داده ها را جمع آوری کردیم. شش سال اندازهگیری و اندازهگیری مجدد طول کشید.
آنتروپی باعث سرریز هیدروژن می شود
پیامدهای این کشف بسیار زیاد است، به ویژه در زمینه توسعه انرژی پاک. این نشان دهنده یک گواهی بر فرآیند علمی است، جایی که کنجکاوی، پشتکار، و آزمایش های دقیق می تواند به پیشرفت های عمیق منجر شود.
“علم یک فرآیند خود تصحیحکننده است. ما مدتهاست که درباره سرریزها میدانیم، اما هیچکس سیستم مناسبی برای تعیین کمیت و درک آن پیدا نکرده است. ما داده ها را جمع آوری کردیم و فهمیدیم که چگونه این پدیده را توضیح دهیم. به نظر می رسد، تعادل انرژی هایی که ما استفاده می کنیم همیشه واضح نیست و آنتروپی می تواند چیزهایی را که ما انتظار نداریم را هدایت کند.
