حل یک مساله چالشی برای کاهش مصرف موادکربنی در حوزه انرژی - مجله انجمن دعوت

این مقاله با عنوان میکروکره های سلسله مراتبی نیکل اکسید مبتنی بر آرایه ای از نانو میله ها به عنوان الکتروکاتالیست با عملکرد دوگانه برای تجزیه فوتولیز/الکترولیز انتخابی و مقاوم در برابر خوردگیِ آب دریا، با حل نظری و تجربی یک مساله چالشی برای کاهش مصرف موادکربنی در حوزه فراوری انرژی، اکنون نوید بکارگیری منابع فراوان و پاک روی کره زمین (فناوری فوتوولتائیک در آب دریا) را می دهد.

در این مقاله آمده است؛ یکی از اصلی ترین چالش هایی که بشر در قرن 21 با آن روبرو است، بحران تامین انرژی است. حدود 85 درصد مصرف کل انرژی دنیا به وسیله بکارگیری سوخت های فسیلی تامین می شود که علاوه بر اینکه منابع آنها محدود هستند و در سال های آینده جوابگوی احتیاج انرژی بشرنخواهند بود؛ باعث انتشار اندازه زیادی گازهای گلخانه ای ازجمله کربن دی اکسید می شوند. در پی گسیل گازهای گلخانه ای در فضا تغییرات اقلیمی از جمله تغییر در اندازه بارش های سالیانه و تغییردر pH آب دریاها در حال وقوع است که سلامت بشر را تهدید می نماید.

در واقع، اثرات زیست محیطیِ زیانبار به شکل وسیعی در حال توسعه هستند و با ادامه شرایط فعلی سیاره زمین به سمت شرایط غیرقابل قبولی برای نسل های آینده پیش خواهد رفت. برای برطرف این مسائل، تحولات اساسی در حوزه انرژی و پذیرش جامعه برای مصرف کمتر از مواد کربنی امری بسیار لازم است. از این رو اهمیت بکارگیری منابع تمیز و تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی مناسب و بالقوه برای سوخت های فسیلی بیش از پیش الزامی است.

هیدروژن یک حامل انرژی پاک و قابل ذخیره سازی، پایدار و دوستدار محیط زیست می باشد که می تواند به وسیله الکترولیز آب فراوری شود و در جهت مبارزه با تغییرات اقلیمی و رسیدن به اندازه صفر انتشار گازهای گلخانه ای موثر واقع شود. زیرا چرخه فراوری و مصرف و بازسازی هیدروژن بدون انتشار کربن انجام می شود. اما فراوری هیدروژن به وسیله تجزیه آب خالص در دنیا فشار زیادی به منابع آب شیرین وارد خواهد نمود.

بنابراین، وابستگی فناوری الکترولیز آب به منابع آب شیرین یک تهدید بزرگ برای محیط زیست پایدار خواهد بود. از طرفی آب های شور و کم کیفیت موجود در اقیانوس ها و دریاها به عنوان یکی از منابع فراوان بر روی کره زمین هستند که می توانند در جهت برطرف تغییرات اقلیمی و تامین انرژی پاک به طور مالی مورد استفاده قرار گیرند، به گونه ای که الکترولیز آب دریا برای فراوری هیدروژن پایدار و اصلاحات زیستی می تواند به یک فناوری مجذوب نماینده و انعطاف پذیر تبدیل شود. در واقع فناوری الکترولیز آب دریا یادآور ضرب المثل با یک تیر دو نشان زدن است چرا که هم در جهت فراوری هیدروژن و هم برای شیرین سازی آب دریا می تواند بکار گرفته شود.

الکتروکاتالیست ها به عنوان مولفه کلیدی سیستم های الکتروشیمیایی تجزیه آب دریا محسوب می شوند. از این رو توسعه و بکارگیری الکتروکاتالیست های مناسب که مواد آنها از لحاظ مالی ارزان هستند و پایداری خوبی در برابر خوردگی آب دریا دارند و در نهایت کارایی و عملکرد بهتری از خود نشان می دهند در حوزه تامین انرژی پاک و محیط زیست سالم، امری بسیار لازم است.

حال در یک پژوهش پیشگامانه، گروهی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف، با کوشش خدیجه همتی (دانشکده فیزیک) به سرپرستی دکتر علیرضا مشفق (دانشکده فیزیک) و همکاری پژوهشگران دانشگاه SKKU کره جنوبی به سرپرستی دکتر هیویانگ لی (دانشکده انرژی) و دکتر مرادلو از دانشگاه الزهرا (دانشکده شیمی)، به صورت نظری و تجربی پیروز به طراحی و ساخت الکتروکاتالیست هایی پایدار و زیست سازگار با هزینه های پایین با عملکرد دوگانه جهت تجزیه کارآمد و بادوام آب دریا به سوخت های هیدروژن و اکسیژن و بعلاوه تضعیف و کنترل واکنش های رقابتی و مزاحم موجود در آب دریا شدند. به طور خلاصه، الکتروکاتالیست های نانوساختار بر پایه نیکل شامل میکروکره های نیکل اکسید هستند به طوریکه سطح این میکروکره ها بصورت کاملا یکنواخت و متراکم به وسیله آرایه ای از نانو ساختارهای میله ای شکل پوشیده شده که منجر به یک معماری با ساختار سلسه مراتبی سه بعدی با مورفولوژی قاصدک شکل خواهد شد.

وجود و مشارکت سطح موثر بالا با سایت های فعال فراوان ناشی از تشکیل این معماری، بهبود فعالیت ذاتی هر سایت فعال و بعلاوه توانایی انتقال بار موثر ناشی از رسانایی الکتریکی خوب باعث افزایش فعالیت الکتروکاتالیستی سیستم پیشرفته در راستای انجام هر دو نیم واکنش فراوری گازهای هیدروژن و اکسیژن و تضعیف و کنترل واکنش های مزاحم و رقابتی در آب دریا می شود. پایداری خوب الکتروکاتالیست سنتز شده را می توان عمدتا به علت مقاومت در برابر خوردگی ساختار سلسله مراتبی نیکل اکسید نسبت داد. دستاوردهای حاصل از این پژوهش نه تنها امکان استفاده از الکتروکاتالیست های فلزات غیر نجیب برای فراوری سوخت های هیدروژن و اکسیژن از آب شورِ دریا را مطرح می نماید، بلکه رویکردی نو برای طراحی منطقیِ و موثر ساختارهای با معماری سلسله مراتبی سه بعدی به منظور استفاده در حوزه تبدیل و ذخیره انرژی ارائه می دهد.

این گروه پژوهشی بعلاوه پیروز شدند یک سیستم یکپارچه خورشیدی تجزیه آب دریا را با استفاده از الکتروکاتالیست های توسعه داده شده راه اندازی نمایند. یکی از مزیت های فراوری هیدروژن با استفاده از تجزیه الکتروکاتالیستی آب شوردریا نیز سادگی و مالی بودن آن است. به همین علت این سیستم قابلیت آنرا دارد که در مقیاس دنیای مورد استفاده قرار گیرد. از این رو منظره وسیع تر این پژوهش طراحی و ساخت دستگاه فراوری همزمان الکتریسیته و آب شیرین با استفاده از هیدروژن و اکسیژن فراوری شده از آب دریا است.

لازم به ذکر است نتایج این پژوهش 6 آوریل 2023 در جلد 13 (صفحات 5528-5516) مجلّه معتبرACS Catalysis از انتشارات انجمن شیمی آمریکا (ACS) با ضریب تأثیر 13.7 به چاپ رسیده است.