دستاوردی نوین در تولید هیدروژن پاک با استفاده از مواد کوانتومی

به گزارش بخش اقتصاد وبانگاه بر اساس داده‌های منتشرشده در ایسنا، سوخت هیدروژنی به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای سوخت‌های فسیلی، تنها بخار آب را در هنگام استفاده منتشر می‌کند که این امر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در جو زمین کمک شایانی می‌نماید. پتانسیل استفاده از سوخت هیدروژنی در آینده برای وسایل نقلیه سنگین نظیر کامیون‌ها، قطارها و کشتی‌ها، همچنین سیستم‌های گرمایش صنعتی و تولید برق غیرمتمرکز، انگیزه‌ای مضاعف برای توسعه روش‌های پایدار تولید آن فراهم آورده است.

بیشتر روش‌های کنونی تولید هیدروژن به سوزاندن سوخت‌های فسیلی متکی هستند که این رویکرد، مزایای زیست‌محیطی آن را محدود می‌سازد. در این راستا، مهندسان انرژی در سراسر جهان در تلاشند تا راهبردهای پایدارتری را برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ ابداع کنند.

یکی از روش‌های نویدبخش برای تولید پاک هیدروژن، تجزیه فوتوکاتالیستی آب است. این فرایند با استفاده از فوتوکاتالیست‌ها، مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. فوتوکاتالیست‌ها موادی هستند که با تابش نور خورشید واکنش نشان داده و واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز را تسریع می‌بخشند.

در تازه‌ترین پیشرفت، پژوهشگران «دانشگاه میشیگان»(UMich) ابرشبکه‌های کوانتومی اکسیتونی جدیدی را ابداع کرده‌اند. این مواد که لایه‌های فوق‌العاده نازک ابررسانا هستند، قادر به تشکیل جفت‌های الکترون و حفره مقید موسوم به اکسیتون‌ها می‌باشند. این مواد قابلیت پشتیبانی از تولید هیدروژن با استفاده از انرژی خورشیدی را دارند و نتایج اولیه نشان می‌دهد که این ابرشبکه‌ها قادر به تجزیه آب و تولید هیدروژن پاک با راندمان قابل توجهی هستند.

«یویانگ پن»(Yuyang Pan) و «بینگشینگ ژانگ»(Bingxing Zhang)، پژوهشگران ارشد این پروژه، در مقاله خود آورده‌اند: «تولید هیدروژن پاک مستقیماً از نور خورشید و آب، مسیری امیدوارکننده برای دستیابی به کربن‌خنثی و پایداری زیست‌محیطی است. با این حال، استفاده ناکارآمد از حامل‌های بار تولید شده توسط نور در فوتوکاتالیست‌ها، مانع کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن می‌شود.» آنها افزودند: «ما استفاده از ساختارهای ابرشبکه کوانتومی اکسیتونی متشکل از نیترید گالیوم در مقیاس نانومتر و نیترید گالیوم ایندیوم را برای دستیابی به هدایت مؤثر بار الکتریکی و تجزیه کلی فوتوکاتالیستی آب نشان می‌دهیم.»

این گروه پژوهشی با ترکیب نیمه‌رساناهای نیترید گالیوم و نیترید گالیوم ایندیوم در یک ابرشبکه، موادی لایه‌ای جدید را طراحی کردند که این ترکیب نانومتری، ویژگی‌های اپتوالکترونیکی خاصی را بروز می‌دهد. محققان با بهره‌گیری از پدیده «اثر اشتارک محدودشده کوانتومی»، موفق شدند طول عمر اکسیتون‌ها را در ابرشبکه‌های کوانتومی خود با دقت مهندسی‌شده افزایش دهند.

عملکرد این مواد برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق انرژی خورشیدی آزمایش شد. بررسی‌های اولیه آزمایشگاهی و میدانی نشان داد که این مواد کوانتومی، تبدیل آب به هیدروژن با انرژی خورشیدی را با راندمان ۳.۱۶ درصد در آزمایشگاه تحت نور خورشید متمرکز و تا ۱.۶۴ درصد در محیط باز امکان‌پذیر می‌سازند.

هرچند راندمان‌های گزارش‌شده هنوز پایین‌تر از حد مطلوب برای استفاده گسترده هستند، اما این نتایج، پتانسیل مواد کوانتومی را برای تحقق تجزیه فوتوکاتالیستی آب برجسته می‌کنند. انتظار می‌رود مواد معرفی‌شده توسط این گروه پژوهشی در آینده بهبود یافته و الهام‌بخش طراحی ابرشبکه‌های مشابه باشند.

این پیشرفت علمی، که نتایج آن در مجله «Nature Energy» منتشر شده است، می‌تواند در نهایت امکانات جدیدی را برای تولید پاک هیدروژن در مقیاس بزرگ فراهم آورد و به تلاش‌های جهانی در جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای یاری رساند.