الیزابت مونتالبانو | 17 مه 2021
محققان با کشف جنبه جدیدی از ماده تشکیل شده از ماده‌ای که به طور بالقوه می‌تواند داد و ستد سلول‌های سوخت هیدروژنی را پیش ببرد، با استفاده از فناوری فتوسنتز مصنوعی که قبلاً توسعه داده بودند، پیشرفت جدیدی کرده‌اند.
دانشمندان دانشگاه میشیگان سه سال پیش دستگاه فتوسنتز مصنوعی ساخته شده از سیلیسیم و نیترید گالیم (Si / GaN) ساخته اند که از نور خورشید برای ایجاد هیدروژن بدون کربن برای سلول‌های سوختی استفاده می‌کند. اکنون، تیم با آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) برای کشف یک خاصیت خودسازی در Si / GaN همکاری کرده است که باعث افزایش کارایی و پایداری مواد در تبدیل نور و آب به هیدروژن فاقد کربن تبدیل می‌شود.
فرانچسا توما، دانشمند ستادی در بخش علوم شیمیایی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، گروه علوم شیمیایی که این کشف را یک تعویض کننده بازی خواند، گفت که این ویژگی در واقع برخلاف نحوه کارکرد معمول مواد موجود در سیستم‌های سوخت خورشیدی برای کاهش و از دست دادن ثبات و کارایی است.
وی گفت، این امر دانشمندان را هنگامی که رفتار مواد را کشف کردند، متحیر کرد. توما در بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: «ما یک ویژگی غیر معمول در Si / GaN کشف کردیم که به نوعی آن را قادر می‌سازد کارآمدتر و پایدارتر شود.» او خاطر نشان کرد: «من هرگز چنین وضعیتی از ثبات را ندیده ام.»
Guosong Zeng، دانشمند فوق دکترا و Francesca Toma، دانشمند ستادی، هر دو در بخش علوم شیمیایی آزمایشگاه برکلی، دستگاه فتوسنتز مصنوعی ساخته شده از نیترید گالیم را آزمایش می‌کنند. توما و زنگ دریافتند که این دستگاه به جای تخریب با گذشت زمان، با استفاده از آن بهبود می‌یابد.
از مدت‌ها قبل سلول‌های سوختی به عنوان راه حلی برای تأثیرات زیست محیطی سوخت‌های فسیلی در نظر گرفته می‌شدند. با این حال، آن‌ها تاکنون به قول خود در مورد تأمین انرژی پاک برای برنامه‌هایی که هنوز سوخت‌های پایه آن‌ها به عنوان بهترین گزینه دیده می‌شود عمل نکرده‌اند.
محققان اعلام کرده‌اند که شاید به این دلیل است که مواد فتوسنتز مصنوعی قبلی جاذب نوری بسیار عالی و فاقد دوام بوده و یا از موادی تشکیل شده است که فاقد کارایی جذب نور هستند.
اکنون دانشمندان امیدوارند که کشف آن‌ها بتواند پیشرفت سلول‌های سوختی که برای ماندگاری تجاری بیشتر مورد نیاز است، باشد. سیلیسیم و نیترید گالیم موادی فراوان و ارزان هستند که به عنوان نیمه هادی در وسایل الکترونیکی روزمره مانند LED دیودهای ساطع کننده نور و سلول‌های خورشیدی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند.
محققان متذکر شدند که این ترکیب با تمایل آن‌ها برای فتوسنتز مصنوعی به خوبی رفتار می‌کند -دستیابی به 3 درصد کارایی خورشید به هیدروژن در دستگاه دانشگاه میشیگان که سه سال پیش توسعه یافته است- می‌تواند ترکیبی مناسب از کیفیت برای گسترش بیشتر استفاده از سلول‌های سوختی باشد.
در راه این کشف پیشگامانه، محققان از تکنیک‌های پیشرفته میکروسکوپی برای کشف ویژگی‌های مواد در مقیاس نانو -یا میلیاردم متر- استفاده کردند.
Zeng برای پی بردن به صحت این نظریه، یک آزمایش میکروسکوپی نیروی اتمی فتوسنتزی را برای آزمایش مواد انجام داد. به طور خاص، محققان مشاهده کردند که چگونه فوتو کاتد مواد فوتون‌های جذب شده را به الکترون تبدیل می‌کند و سپس آن الکترون‌ها را برای تقسیم آب به هیدروژن به کار می‌گیرند. این واکنش معمولاً قبل از شروع تخریب مواد اتفاق می‌افتد و از پایداری و کارایی کمتری برخوردار می‌شود. https://www.designnews.com
