فهرست مطالب
پژوهشگران سنگاپوری برگ مصنوعی خورشیدی جدیدی ساخته‌اند که بدون نیاز به برق خارجی، از آب دریا هیدروژن تولید می‌کند و هم‌زمان آلاینده‌های سمی صنعتی را از بین می‌برد.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، محققان دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور (NTU) با الهام از فرایندهای طبیعی برگ گیاهان، این دستگاه خورشیدی را توسعه داده‌اند که دو چالش مهم تولید انرژی پاک و تصفیه آب آلوده را به‌طور هم‌زمان برطرف می‌کند. این فناوری با استفاده از نور خورشید، هیدروژن تولید می‌کند و هیدرازین، یکی از ترکیبات بسیار سمی موجود در فاضلاب‌های صنعتی را تجزیه می‌نماید.
پژوهشگران در این دستگاه آزمایشی، یک سلول خورشیدی کوچک، سامانه الکترولیز و سیستم تصفیه فاضلاب را در ساختاری واحد ترکیب کرده‌اند. این طراحی امکان تولید سوخت پاک و حذف آلودگی را بدون استفاده از منبع برق خارجی فراهم می‌کند.
آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهند که برگ مصنوعی می‌تواند بیش از ۷۲ ساعت بدون کاهش محسوس عملکرد فعالیت کند و در هر ساعت به‌ازای هر سانتی‌متر مربع، ۴۶۶ میکرومول هیدروژن تولید کند. همچنین دستگاه توانسته است غلظت هیدرازین موجود در آب آلوده را طی حدود ۳۰ ساعت از ۰٫۵ مولار به ۰٫۵ قسمت در میلیارد کاهش دهد.
مقدار نهایی هیدرازین بیش از ۲۰ برابر کمتر از حد مجاز ۱۰ قسمت در میلیاردی است که پژوهشگران با استناد به استاندارد آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا مطرح کرده‌اند.
پروفسور لیدیا وونگ، یکی از پژوهشگران پروژه، این دستاورد را جهشی بزرگ در فناوری‌های زیست‌محیطی توصیف کرده است. به گفته او، استفاده مؤثر از انرژی خورشیدی برای تجزیه آلاینده‌های صنعتی و تولید هم‌زمان سوخت پاک، راهکاری برای مقابله با مشکلات انرژی و آلودگی محسوب می‌شود.
بیشتر بخوانید: تولید انبوه هیدروژن سبز با سیستم خورشیدی جدید چین
چرا تولید هیدروژن از آب دریا با چالش مواجه است؟
براساس گزارش نیواطلس، هیدروژن یکی از مواد اولیه مهم صنایع محسوب می‌شود و استفاده از آن به عنوان سوخت پاک نیز در حال افزایش است. یکی از روش‌های شناخته‌شده تولید این ماده، الکترولیز آب است که در آن انرژی الکتریکی مولکول‌های آب را به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند.
در الکترولیز معمولی، هیدروژن در کاتد یا الکترود منفی تولید می‌شود و اکسیژن در آند یا الکترود مثبت آزاد می‌شود. این فرایند به انرژی الکتریکی قابل توجهی نیاز دارد و معمولا به منبع برق خارجی وابسته است.
آب دریا به دلیل فراوانی می‌تواند جایگزین مناسبی برای آب شیرین در تولید هیدروژن باشد. این ویژگی به‌ویژه برای مناطقی اهمیت دارد که با محدودیت منابع آب شیرین مواجه هستند. با وجود این، ترکیبات شیمیایی موجود در آب دریا استفاده مستقیم از آن را دشوار می‌کنند.
یکی از مشکلات اصلی، غلظت بالای کلرید است که می‌تواند باعث خوردگی الکترودها و سایر اجزای دستگاه الکترولیز شود. همچنین امکان وقوع واکنش‌های شیمیایی ناخواسته و تولید ترکیبات سمی کلر وجود دارد. این واکنش‌ها عملکرد دستگاه را مختل می‌کنند و مشکلات زیست‌محیطی جدیدی به وجود می‌آورند.
پژوهشگران دانشگاه هنگ‌کنگ پیش‌تر برای مقابله با خوردگی، آلیاژ فولاد ضدزنگ مقاومی با نام SS-H2 توسعه داده بودند. با وجود این، محققان دانشگاه فناوری نانیانگ راهکار متفاوتی انتخاب کرده‌اند که علاوه بر کاهش خوردگی، از یک آلاینده صنعتی برای بهبود فرایند تولید هیدروژن استفاده می‌کند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature Communications منتشر شده است.
در الکترولیز متداول، بخش قابل توجهی از انرژی صرف واکنش تولید اکسیژن در آند می‌شود. اکسیژن تولیدشده نیز در بسیاری از کاربردها مستقیما وارد جو می‌شود و مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
پژوهشگران سنگاپوری برای کاهش مصرف انرژی، واکنش تولید اکسیژن را با فرایند تجزیه هیدرازین جایگزین کرده‌اند. هیدرازین ماده‌ای بسیار سمی است که می‌تواند در فاضلاب‌های صنعتی وجود داشته باشد.
آنها آند دستگاه را به کاتالیزور ویژه‌ای مجهز کرده‌اند که تجزیه هیدرازین به گاز نیتروژن را تسریع می‌کند. این فرایند از طریق واکنشی جانبی، هیدروژن بیشتری نیز تولید می‌کند.
مزیت مهم این روش، نیاز کمتر تجزیه هیدرازین به انرژی در مقایسه با واکنش معمول تولید اکسیژن است. بنابراین، دستگاه ضمن حذف ماده‌ای آلاینده، انرژی مورد نیاز را برای تولید هیدروژن کاهش می‌دهد و بازده کلی سامانه را افزایش می‌دهد.
کاتالیزور مورد استفاده از آهن، کبالت و کروم تشکیل شده است. این ترکیب علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی، تشکیل ترکیبات سمی کلر را نیز محدود می‌کند و از آسیب رسیدن به الکترودها جلوگیری می‌نماید.
بیشتر بخوانید: تبدیل زباله‌های پلاستیکی به هیدروژن سبز با پنل‌های خورشیدی
تولید هیدروژن با نور خورشید و بدون منبع برق خارجی
نوآوری پژوهشگران تنها به تغییر ساختار آند محدود نمی‌شود. آنها کاتد دستگاه را نیز به‌گونه‌ای طراحی کرده‌اند که بتواند انرژی مورد نیاز واکنش‌های شیمیایی را مستقیما از نور خورشید تأمین کند.
در ساخت این بخش از پروسکایت‌های هالید سرب استفاده شده است. این مواد نیمه‌رسانا توانایی جذب نور و تبدیل آن به انرژی الکتریکی را دارند و در نتیجه می‌توانند نقش مهمی در تولید برق خورشیدی ایفا کنند.
فوتوکاتد پروسکایتی دستگاه علاوه بر مشارکت در تولید هیدروژن، انرژی الکتریکی مورد نیاز کل سامانه را فراهم می‌کند. به همین دلیل، برگ مصنوعی برای فعالیت به اتصال مستقیم به شبکه برق یا منبع تغذیه خارجی نیاز ندارد.
با وجود این، استفاده از پروسکایت‌ها در محیط آب دریا چالش مهمی ایجاد می‌کند. این مواد نسبت به رطوبت و محیط‌های شیمیایی خورنده حساس هستند و تماس مستقیم با آب می‌تواند باعث تخریب ساختار آنها شود.
پژوهشگران برای محافظت از فوتوکاتد، لایه‌ای از رزین اپوکسی رسانا حاوی ذرات نقره و مس روی آن قرار داده‌اند. همچنین ورقه‌ای از تیتانیوم در ساختار دستگاه استفاده شده است که از نفوذ آب به نیمه‌رسانای حساس جلوگیری می‌کند و درعین‌حال امکان عبور بار الکتریکی را فراهم می‌سازد.
سطح تیتانیوم نیز با لایه نازکی از پلاتین پوشانده شده است تا واکنش تولید هیدروژن با سهولت بیشتری انجام شود.
محققان برای ارزیابی عملکرد دستگاه، آن را در محلول‌های قلیایی حاوی آب دریای واقعی و آب دریای شبیه‌سازی‌شده آزمایش کردند. در هر دو آزمایش، هیدرازین به محلول اضافه شد و دستگاه در معرض نور مصنوعی با شدتی معادل تابش خورشید در یک روز صاف قرار گرفت.
نتایج نشان دادند که دستگاه در هر دو محیط، چگالی جریان نوری حدود ۲۵ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تولید می‌کند. این مقدار یکی از بالاترین مقادیر گزارش‌شده برای فوتوکاتدهای پروسکایتی مبتنی بر سرب محسوب می‌شود.
نکته مهم آن است که دستگاه برای دستیابی به این عملکرد به برق خارجی احتیاج نداشت. همچنین توانست بیش از ۷۲ ساعت بدون افت چشمگیر بازده به تولید هیدروژن ادامه دهد.
سپس پژوهشگران نسخه بزرگ‌تری از برگ مصنوعی ساختند و مساحت فوتوکاتد را از ۰٫۵۶ به ۶٫۲۵ سانتی‌متر مربع افزایش دادند. هدف از این آزمایش، بررسی توانایی دستگاه در حذف هیدرازین از آب آلوده بود.
نسخه بزرگ‌تر توانست غلظت هیدرازین را در مدت حدود ۳۰ ساعت از ۰٫۵ مولار، معادل تقریبا ۱٫۶ درصد وزنی به ۰٫۵ قسمت در میلیارد برساند. این نتیجه نشان‌دهنده توانایی دستگاه در کاهش چشمگیر آلودگی هیدرازین است.
همچنین پژوهشگران دستگاه را در فضای باز و زیر نور طبیعی خورشید آزمایش کردند. مشاهده حباب‌های هیدروژن و نیتروژن نشان داد که سامانه می‌تواند خارج از شرایط کنترل‌شده نورپردازی آزمایشگاهی نیز فعالیت کند.
این فناوری از نظر استفاده از نور خورشید و آب برای تولید هیدروژن به پروژه پیشین دانشگاه رایس شباهت دارد، اما قابلیت حذف هم‌زمان آلاینده‌های صنعتی، ویژگی متمایزکننده آن محسوب می‌شود.
بیشتر بخوانید: این برگ مصنوعی دی‌اکسید کربن را به محصولات مفید تبدیل می‌کند
محدودیت‌های برگ مصنوعی و موانع استفاده صنعتی
با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران تأکید دارند که این فناوری هنوز در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد و برای استفاده صنعتی به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.
یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها، وابستگی دستگاه به وجود هیدرازین است. آند طراحی‌شده برای انجام واکنش شیمیایی خود به این ماده نیاز دارد و بدون حضور آن نمی‌تواند عملکرد مورد نظر را ارائه دهد.
بنابراین، دستگاه برای تولید عمومی هیدروژن از آب دریای معمولی طراحی نشده است و بیشترین کاربرد آن در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی آلوده به هیدرازین و تولید هم‌زمان هیدروژن خواهد بود.
چالش دیگر به وجود سرب در ساختار پروسکایت‌ها مربوط می‌شود. اگرچه لایه‌های محافظ می‌توانند تماس مستقیم آب با نیمه‌رسانا را محدود کنند، حفظ پایداری این مواد و جلوگیری از نشت آلاینده‌ها در دوره‌های طولانی همچنان اهمیت زیادی دارد.
آزمایش‌های فعلی تنها عملکرد پایدار دستگاه را برای بیش از ۷۲ ساعت نشان داده‌اند. درحالی‌که سامانه‌های صنعتی باید بتوانند برای دوره‌های بسیار طولانی‌تر و در شرایط محیطی متغیر فعالیت کنند.
افزایش ابعاد دستگاه، بهبود دوام قطعات، توسعه روش‌های مؤثر جمع‌آوری هیدروژن و اتصال آن به زیرساخت‌های موجود از دیگر چالش‌های پیش روی محققان است.
همچنین ترکیب شیمیایی و میزان اسیدیته آب دریا و فاضلاب‌های صنعتی در مناطق مختلف متفاوت است. پژوهشگران باید اطمینان حاصل کنند که دستگاه در چنین شرایط متغیری نیز عملکرد قابل اعتمادی دارد.
جیمز دورانت، استاد فتوشیمی و انرژی پایدار دانشگاه آکسفورد که در این تحقیق مشارکت نداشته است، اهمیت دستاورد جدید را فراتر از تولید هیدروژن خورشیدی می‌داند.
به گفته او، این پژوهش مسیر توسعه سامانه‌های فوتوالکتروشیمیایی چندمنظوره را نشان می‌دهد که می‌توانند هم‌زمان ارزش اقتصادی ایجاد کنند و اثرات زیست‌محیطی مثبتی داشته باشند.
پژوهشگران دانشگاه فناوری نانیانگ اکنون توسعه کاتالیزورهای جدیدی را دنبال می‌کنند که بتوانند آلاینده‌های دیگری را نیز تجزیه کنند. هدف دیگر آنها تبدیل مواد زائد به محصولات ارزشمند، از جمله سوخت و مواد شیمیایی صنعتی است.
این تحقیقات می‌توانند زمینه توسعه فناوری‌هایی را فراهم کنند که به‌جای مصرف انرژی فراوان برای تصفیه پساب‌های صنعتی، از انرژی خورشید برای حذف آلودگی و تولید سوخت استفاده می‌کنند.
با وجود این، کاربرد گسترده برگ مصنوعی به موفقیت پژوهشگران در افزایش مقیاس تولید، تضمین ایمنی مواد و اثبات پایداری بلندمدت دستگاه وابسته خواهد بود
