3 اکتبر 2021
برای چندین دهه، محققان در سراسر جهان به دنبال راه‌هایی برای استفاده از انرژی خورشیدی برای ایجاد واکنش اصلی برای تولید هیدروژن به عنوان منبع انرژی پاک – تقسیم مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن هستند. با این حال، چنین تلاش‌هایی عمدتا شکست خورده است زیرا انجام این کار بسیار پرهزینه بود و تلاش برای انجام آن با هزینه کم منجر به عملکرد ضعیف شد.
در حال حاضر، محققان دانشگاه تگزاس در آستین راهی کم هزینه برای حل نیمی از معادله، با استفاده از نور خورشید برای جدا کردن مولکول‌های اکسیژن از آب، پیدا کرده‌اند. این یافته، که اخیراً در Nature Communications منتشر شده است، گامی رو به جلو در جهت پذیرش بیشتر هیدروژن به عنوان بخش کلیدی زیرساخت انرژی آمریکا است.
در اوایل دهه 1970، محققان در حال بررسی امکان استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن بودند. اما ناتوانی در یافتن مواد با ترکیبی از خواص مورد نیاز برای دستگاهی که بتواند واکنش‌های شیمیایی کلیدی را به طور موثر انجام دهد، مانع از تبدیل آن به یک روش اصلی شده است.
ادوارد یو، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشکده کاکرل، می‌گوید: «شما به موادی نیاز دارید که نور خورشید را به خوبی جذب کنند و در عین حال که واکنش‌های تجزیه آب رخ می‌دهد، کاهش نمی‌یابد. معلوم می‌شود موادی که در جذب نور خورشید خوب عمل می‌کنند در شرایط مورد نیاز برای واکنش تقسیم آب ناپایدار هستند، در حالی که مواد پایدار تمایل به جذب ضعیف نور خورشید دارند.
این الزامات متناقض شما را به سمت یک مبادله به ظاهر اجتناب ناپذیر سوق می‌دهد، اما با ترکیب چندین ماده – یکی که نور خورشید را به طور موثر جذب می‌کند، مانند سیلیکون و دیگری که ثبات خوبی مانند دی اکسید سیلیکون را فراهم می‌کند – در یک دستگاه واحد، می‌توان این تضاد را حل کرد.
با این حال، این یک چالش دیگر ایجاد می‌کند – الکترون‌ها و حفره‌های ایجاد شده توسط جذب نور خورشید در سیلیکون باید بتوانند به راحتی در لایه دی اکسید سیلیکون حرکت کنند. این امر معمولاً مستلزم این است که لایه دی اکسید سیلیکون بیش از چند نانومتر نباشد، که این امر اثربخشی آن را در محافظت از جاذب سیلیکون در برابر تخریب کاهش می‌دهد.
کلید این پیشرفت از طریق ایجاد مسیرهای رسانای الکتریکی از طریق یک لایه ضخیم دی اکسید سیلیکون است که می‌تواند با هزینه کم انجام شود و تا حجم تولید افزایش یابد.
برای رسیدن به آن‌جا، یو و تیمش از تکنیکی استفاده کردند که ابتدا در تولید تراشه‌های الکترونیکی نیمه هادی استفاده شد. با پوشاندن لایه دی اکسید سیلیکون با یک فیلم نازک از آلومینیوم و سپس گرم کردن کل ساختار، آرایه‌هایی از خوشه‌های آلومینیومی در مقیاس نانو که لایه دی اکسید سیلیکون را به طور کامل پل می‌زنند، تشکیل می‌شود. این‌ها را می‌توان به راحتی با نیکل یا سایر مواد جایگزین کرد که به کاتالیز واکنش‌های تقسیم آب کمک می‌کند.
هنگامی که با نور خورشید روشن می‌شوند، دستگاه‌ها می‌توانند آب را به طور موثر اکسید کرده و مولکول‌های اکسیژن را تشکیل دهند، در حالی که در الکترود جداگانه هیدروژن تولید می‌کنند و در عملکرد طولانی مدت پایداری فوق العاده‌ای از خود نشان می‌دهند. از آن‌جا که تکنیک‌های به کار گرفته شده برای ایجاد این دستگاه‌ها معمولاً در تولید قطعات الکترونیکی نیمه هادی استفاده می‌شود، بنابراین مقیاس آن‌ها برای تولید انبوه آسان است. این تیم یک درخواست ثبت اختراع موقت برای تجاری سازی این فناوری ثبت کرده است.
بهبود نحوه تولید هیدروژن کلید ظهور آن به عنوان یک منبع سوخت مناسب است. امروزه بیشتر تولید هیدروژن از طریق گرم کردن بخار و متان صورت می‌گیرد، اما این امر به شدت به سوخت‌های فسیلی متکی است و تولید کربن می‌کند. هیدروژن پتانسیل تبدیل‌شدن به یک منبع تجدیدپذیر مهم با ویژگی‌های منحصر به فرد را دارد.
اhttps://www.goodnewsnetwork.org
