در سال های اخیر، هیدروژن (H2) به یکی از منابع مهم انرژی تبدیل شده و کاربردهای فراوانی در تولید الکتریسیته، گرما، ذخیره سازی انرژی، سوخت راکت و…. پیدا کرده است. در حال حاضر، بخش زیادی از هیدروژن مورد نیاز صنایع از سوخت های فسیلی تامین می شود که با توجه به محدود بودن منابع فسیلی نیاز به دستیابی به این ماده ارزشمند از منابع تجدید پذیر بیش از پیش مورد توجه محققین قرار گرفته است. تابحال روش های متنوعی برای تولید هیدروژن از منابع تجدید پذیر توسعه داده شده اند اما چالش بزرگ این روش ها پایین بودن نرخ تولید آنها می باشد که منجر به محدود شدن این روش ها شده است. توسعه سوپر کریستال ها در سال های اخیرتحول عظیمی در زمینه تولید هیدروژن از منابع پاک و تجدید پذیر ایجاد کرده است. پژوهشگران موفق شده اند با استفاده از سوپر کریستال طلا – پلاتین (Au – Pt Supercrystals) انرژی خورشید را متمرکز نموده و با استفاده از آن امکان دستیابی به هیدروژن از فرمیک اسید (Formic Acid) با بالاترین نرخ تولید را فراهم آورند. در این مقاله به بررسی این دستاورد جدید می پردازیم.
اهمیت هیدروژن و کاربردهای آن
هیدروژن مولکولی (H2) یکی از مواد کلیدی در انرژی پاک و تجدید پذیر است. احتراق هیدروژن که واکنشی گرمازا می باشد، انرژی بسیار زیادی آزاد می کند که همین موضوع باعث شده است تا هیدروژن به جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی تبدیل شود. همین ویژگی باعث شده است تا توجه صنایع مختلف به سمت این ماده جلب شده و کاربردهای گوناگونی برای آن ایجاد شود. از کاربردهای مهم هیدروژن می توان به صنعت برق، خودروهای الکتریکی، سوخت راکت، سلول های سوختی، ذخیره سازی انرژی، تولید گرما و…. اشاره نمود. در تصویر زیر کاربردهای متنوع هیدروژن نشان داده شده است.
(کاربردهای گوناگون هیدروژن مولکولی)
کاربردهای مهم هیدروژن بعنوان منبعی پاک و تجدیدپذیر باعث شده است تا تولید و دستیابی به آن از اهمیت زیادی برخوردار شود. از این رو، روش های مختلفی برای تولید هیدروژن توسعه داده شدند که عبارتند از: جدایش آب بصورت فوتوکاتالیستی، الکترولیز آب، رادیولیز آب، ترمولیز آب و پیرولیز مواد زیستی (Biomass). اما این روش های توسعه داده شده از محدودیت بزرگی برخوردار می باشند و آن هم بازدهی پایین این روش ها در تولید هیدروژن است که موجب شده است تا همچنان منابع تجدید ناپذیر فسیلی اصلی ترین منبع تولید هیدروژن باشند.
ظهور سوپرکریستال های فلزات پلاسمونی و رفع چالش
در روش های تولید هیدروژن مبتنی بر فرآیند فوتوکاتالیست اندرکنش های فوتوکاتالیستی به علت ضعیف بودن انرژی نور خورشید به خوبی و با بازدهی بالا انجام نشده که این موضوع منجر به کاهش نرخ تولید هیدروژن می گردد.
محققین متوجه شدند که با استفاده از خواص نوری ویژه سوپرکریستال های فلزات پلاسمونی می توان انرژی خورشید را در سطح سوپرکریستال متمرکز کرده و آن را به انرژی الکتریکی تقویت شده تبدیل نمود. با توجه به خواص نوری منحصر بفرد سوپرکریستال ها، محققین به این نتیجه رسیدند که به کمک این نانو ساختار نو ظهور امکان تولید هیدروژن به کمک فرآیند فوتوکاتالیست از منابع پاک و تجدید پذیر با نرخ تولید بالا فراهم شده است. در مقاله ای که اخیرا منتشر کردیم درباره فلزات پلاسمونی (Plasmonic Metals)، سوپر کریستال این فلزات و خواص نوری منحصر بفرد آنها و همچنین مکانیزم جذب و تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی بطور کامل توضیح داده شده است.
فلزات پلاسمونی نظیر طلا، نقره، آلومینیوم، منیزیم و مس قابلیت جذب و متمرکز سازی نور خورشید در سطح اتم های خود و تبدیل آن به انرژی الکتریکی تقویت شده با بازدهی بالا را دارا می باشند. با توجه به ویژگی فلزات پلاسمونی در جذب و متمرکزسازی نور خورشید، وقتی این فلزات در مقیاس نانومتری قرار داشته باشند تعداد اتم های بیشتری در سطح قرار گرفته و قابلیت بسیار بالاتری در اندرکنش با امواج نور خورشید را خواهند داشت. زمانیکه نانو ذرات فلزات پلاسمونی کنار یکدیگر نشانده شده و ساختار سوپر کریستال تشکیل می شود بازدهی تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی و حرارت به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد که این ویژگی در فرآیند تولید هیدروژن مورد نیاز است.
علی رغم خواص نوری فوق العاده سوپر کریستال فلزات پلاسمونی، این نانو ساختار ها رفتار فوتوکاتالیستی ضعیفی دارند که همین موضوع کاربرد آنها در تولید هیدروژن به روش فوتوکاتالیستی را محدود می کند. محققین به این نتیجه رسیدند که برای حل این مساله می توان نانو ذرات فلزات با خواص فوتوکاتالیستی قوی مانند پلاتین (Pt) را در ساختار سوپر کریستال ها قرار داد تا به این صورت ویژگی فوتوکاتالیستی را در سوپرکریستال ایجاد کرده و همزمان از خواص نوری و فوتوکاتالیستی قوی این ماده در تولید هیدروژن بهره گیری کنند. در نتیجه این فرضیات، ایده ساخت سوپرکریستالی دو بعدی (2D) متشکل از نانو ذرات فلزات پلاسمونی و نانو ذرات فوتوکاتالیستی مطرح شده و در نهایت سوپرکریستال طلا – پلاتین (Au – Pt) سنتز گردید. در شکل زیر تصویر میکروسکوپ الکترونی ساختار سوپرکریستال طلا – پلاتین تولید شده نشان داده شده است.
(ساختار سوپرکریستال طلا – پلاتین و نحوه قرار گیری نانو ذرات طلا و پلاتین در کنار یکدیگر)
سنتز سوپر کریستال Au – Pt با استفاده از روش کلوئیدی صورت گرفت.
برای این منظور، از نانو ذرات طلا به ابعاد nm 22 و نانو ذرات پلاتین به ابعاد nm 3 در فرآیند سنتز استفاده شد. در حین سنتز، نانو ذرات طلا کنار یکدیگر بطور منظم قرار گرفته و نانو ذرات پلاتین که کوچک تر هستند در فضای خالی ایجاد شده میان نانو ذرات طلا قرار می گیرند. پیکر بندی (Configuration) سوپرکریستال طلا – پلاتین سنتز شده تحت عنوان پیکربندی “آنتن – واکنش دهنده” معرفی شد. این پیکر بندی ارائه دهنده بالاترین میزان بازدهی در تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی و سپس ایجاد عوامل واکنش دهنده قوی (نانو ذرات پلاتین) می باشد. در این پیکر بندی نانو ذرات طلا و پلاتین به ترتیب نقش های آنتن (جاذب و مبدل نور به انرژی الکتریکی) و عامل واکنش دهنده (کاتالیست قوی) را بر عهده دارند. نانو ذرات پلاتین در این ساختار بعنوان مکان هایی فعال (Active Sites) برای انجام واکنش های شیمیایی عمل می کنند. زمانیکه بین نانو ذرات طلا و موج نور اندرکنش ایجاد می شود، میدان های الکتریکی قوی (Nano Hotspots) در فضای میان نانو ذرات طلا ایجاد می گردد که این میدان ها موجب تقویت رفتار فوتوکاتالیستی نانو ذرات پلاتین قرار گرفته در میان نانو ذرات طلا می شوند.
روش فوتوکاتالیستی یکی از روش های رایج در تولید H2 می باشد. در ابتدا، از کلوئید حاوی نانو ذرات با خواص فوتوکاتالیستی در این روش استفاده می شد اما قرار گرفتن نانو ذرات در حالت محلولی و همچنین وجود عوامل اصلاج کننده در سطح نانو ذرات منجر به کاهش بازدهی فرآیند فوتوکاتالیستی می گردید. حال با توسعه سوپر کریستال طلا – پلاتین دیگر نیازی به استفاده از کلوئید و مواد اصلاح کننده سطح نبوده و مشکلات جذب نور خورشید و آگلومره شدن نانو ذرات که در ابتدا وجود داشتند برطرف خواهند شد. ساختار منحر بفرد سوپرکریستال ها و عدم حضور حلال شرایطی را فراهم می کند که با تابش نور تمامی نانو ذرات بتوانند با بالاترین بازدهی نور را جذب و تبدیل به انرژی الکتریکی کرده و در ادامه فرآیند فوتوکاتالیستی در سطح سوپرکریستال با بالاترین بازدهی ممکن انجام شود.
تولید هیدروژن از فرمیک اسید با روش فوتوکاتالیستی
محققین پس از آماده سازی سوپرکریستال Au – Pt عملکرد آن را در تجزیه فرمیک اسید (Formic Acid) به روش فوتوکاتالیستی و تبدیل آن به H2 را بررسی کردند. برای این منظور، آزمایشات فوتوکاتالیستی در دو حالت:
1. تاریک یا عدم حضور نور خورشید و
2. تحت تابش نور خورشید انجام شدند تا تاثیر نور خورشید بر عملکرد فوتوکاتالیستی سوپرکریستال بررسی شود.
علاوه بر سوپرکریستال طلا – پلاتین، سوپرکریستال طلا بعنوان نمونه شاهد مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان بازدهی سوپرکریستال طلا – پلاتین را بخوبی ارزیابی کرد. نتایج به دست آمده از آزمایشات انجام شده در حالت تاریک نشان دادند که رفتار فوتوکاتالیستی سوپرکریستال طلا – پلاتین و سوپرکریستال طلا به ترتیب برابر با mmol/gcath 36 و mmol/gcath 67 می باشد. این نتیجه مشخص می کند که حتی در عدم حضور نور خورشید قابلیت فوتوکاتالیستی سوپرکریستال طلا – پلاتین در تولید هیدروژن از فرمیک اسید حدود 2 برابر نمونه شاهد می باشد. نتایج بدست آمده در حالتیکه آزمایشات تحت تحت تابش نور خورشید انجام شدند نشان می دهند که رفتار فوتوکاتالیستی سوپرکریستال طلا (نمونه شاهد) تغییری نکرده اما رفتار فوتوکاتالیستی سوپرکریستال طلا – پلاتین افزایش قابل توجهی داشته و برابر با mmol/gcath 139 شده است.
این نتیجه افزایش 2 برابری عملکرد فوتوکاتالیستی سوپرکریستال Au – Pt را در حضور نور خورشید نشان می دهد. تقویت عملکرد فوتوکاتالیستی این سوپرکریستال نسبت به نمونه شاهد ناشی از تشکیل میدان های الکتریکی قوی در میان نانو ذرات طلا در اثر تابش نور خورشید می باشد که منجر به بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی نانو ذرات پلاتین شده و نهایتا بازدهی سوپرکریستال Au – Pt در تجزیه فرمیک اسید و تبدیل آن به هیدروژن مولکولی را افزایش داده است.
بررسی های تکمیلی صورت گرفته نشان دادند بازدهی این نانو ساختار جدید در تولید هیدروژن از فرمیک اسید بالاترین بازدهی ممکن در میان سایر مواد بکار رفته در این روش بوده است.
منابع
