ابداع سیستمی که بدون برق، هیدروژن تولید می‌کند

به گزارش ایسنا، نور خورشید یکی از فراوان‌ترین منابع انرژی روی زمین است، اما ما نمی‌توانیم از آن در هر کجا و هر زمان که بخواهیم استفاده کنیم. دلیل این امر این است که ذخیره انرژی خورشیدی و انتقال آن از مناطق آفتابی به مکان‌هایی با نور خورشید محدود هنوز پرهزینه و ناکارآمد است.

با این حال، تیمی از محققان اکنون نشان داده‌اند که نور خورشید را می‌توان با استفاده از مواد شیمیایی ساده درون یک مایع ذخیره کرد و بعداً در تاریکی کامل به گاز هیدروژن تبدیل کرد. به علاوه، این روش برای انتقال انرژی به سیم، باتری یا شبکه‌های برق نیاز ندارد.

علاوه بر این، تاکنون هیچ سیستمی با استفاده از مواد ساده و تجاری موجود، موفق به ذخیره انرژی خورشیدی و بعداً آزاد کردن آن به عنوان هیدروژن بدون هیچ‌گونه برق خارجی نشده است. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این مانع بالاخره پشت سر گذاشته شده است.

تبدیل نور خورشید به الکترون‌های ذخیره شده

این تیم تحقیقاتی سیستم خود را از دو ماده ارزان‌قیمت و آماده ساختند. اولی «نیترید کربن گرافیتی» است؛ پودری زرد رنگ که می‌تواند نور مرئی را جذب کند و به عنوان یک فوتوکاتالیست عمل کند.

دومی «متاتنگستات آمونیوم» است که خوشه‌ای از اتم‌های تنگستن و اکسیژن است که می‌تواند چندین الکترون را دقیقاً مانند یک باتری قابل شارژ کوچک بپذیرد و نگه دارد. این فرآیند در آبی با مقدار کمی متانول اضافه شده اتفاق می‌افتد.

متانول با جذب بارهای مثبت ایجاد شده هنگام برخورد نور به نیترید کربن، نقش مهمی ایفا می‌کند. این امر از ترکیب سریع و ناپدید شدن الکترون‌ها جلوگیری می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد تا ذخیره شوند. در نتیجه، سیستم، آب خالص را تجزیه نمی‌کند و به متانول به عنوان یک کمک‌کننده‌ فداکار نیاز دارد.

وقتی نیترید کربن با نور آبی روشن می‌شود، جفت الکترون و حفره تولید می‌کند و الکترون‌ها به سرعت به خوشه‌های تنگستن مجاور می‌پرند.

با تجمع الکترون‌های بیشتر، رنگ محلول به طور قابل مشاهده‌ای از زرد کم‌رنگ به آبی پررنگ تغییر می‌کند که نشانه‌ واضحی مبنی بر این است که اتم‌های تنگستن از حالت بار ۶+ به ۵+ کاهش می‌یابند و انرژی خورشیدی اکنون به صورت شیمیایی ذخیره می‌شود.

این انتقال به دو دلیل اصلی به خوبی انجام می‌شود. اول اینکه در شرایط اسیدی، سطح نیترید کربن بار مثبت پیدا می‌کند، در حالی که خوشه‌های تنگستن بار منفی دارند. بارهای مخالف، یکدیگر را جذب می‌کنند و دو ماده را محکم به سوی هم می‌کشند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند تا به طور مؤثر بین آنها حرکت کنند.

دوم اینکه سطح انرژی آنها به خوبی با هم مطابقت دارد، بنابراین الکترون‌ها می‌توانند به طور طبیعی و بدون نیاز به فشار خارجی جریان یابند. در میان چندین ماده مشابه آزمایش شده، این ترکیب تنگستن بهترین هم‌ترازی و عملکرد را نشان داد.

آزمایش ذخیره انرژی بدون نور

هنگامی که نور خاموش می‌شود، انرژی ذخیره شده از بین نمی‌رود. محققان برای آزاد کردن آن به سادگی یک کاتالیزور پلاتین روی کربن را به محلول تیره اضافه می‌کنند. پلاتین نقاطی را فراهم می‌کند که الکترون‌های ذخیره شده می‌توانند با پروتون‌های آب ترکیب شوند و گاز هیدروژن تشکیل دهند.

به این ترتیب، جذب نور خورشید، ذخیره انرژی و تولید هیدروژن به مراحل مختلفی تقسیم می‌شوند و حتی می‌توانند در زمان‌های مختلف اتفاق بیفتند. پس از یک ساعت قرار گرفتن در معرض نور، سیستم ۱۳.۵ میکرومول هیدروژن در تاریکی تولید کرد.

نرخ اوج تولید هیدروژن به ۳۲۲۰ میکرومول در هر گرم در ساعت رسید که بالاترین میزان گزارش شده برای یک سیستم فوتوکاتالیستی تاریک تاکنون است. آزمایش‌های فضای باز زیر نور خورشید واقعی نیز کار کردند و ۹۵۴ میکرومول در هر گرم در ساعت در تاریکی تولید کردند که همه اینها بدون هیچ گونه ورودی الکتریکی انجام شد.

اندازه‌گیری‌های پیشرفته نحوه عملکرد سیستم را تأیید کردند. مطالعات انتشار نور نشان داد که الکترون‌ها بیشتر زنده می‌مانند، زیرا جایی برای رفتن دارند. طیف‌سنجی نیز نشان داد که اتم‌های تنگستن الکترون‌ها را زیر نور جذب می‌کنند.

اندازه‌گیری‌های مغناطیسی گونه‌های کاهش یافته تنگستن را تنها زمانی که روشنایی رخ می‌داد، شناسایی کردند. این نتایج در کنار هم تأیید کردند که انرژی خورشیدی واقعاً ذخیره شده و بعداً در صورت نیاز آزاد می‌شود.

نویسندگان این مطالعه گفتند: این سیستم، کارایی قابل توجهی در ذخیره انرژی خورشیدی به صورت الکترون نشان می‌دهد.

این فناوری باید از آزمایشگاه بیرون بیاید

این کار نشان می‌دهد که انرژی خورشیدی را می‌توان بدون مخازن فشار بالا، سرمای شدید یا برق، به صورت مایع جذب، ذخیره، منتقل و بعداً به هیدروژن تبدیل کرد.

اگر آزمایش‌های آینده ثابت کنند که الکترون‌های ذخیره شده به جای ساعت‌ها، برای هفته‌ها پایدار می‌مانند، این رویکرد می‌تواند انرژی خورشیدی برداشت شده در مناطق غنی از خورشید را به نقاط تاریک‌تر جهان منتقل کند و دقیقاً در زمان نیاز به سوخت تبدیل کند.

با این حال، روش فعلی محدودیت‌هایی نیز دارد. به عنوان مثال، این سیستم به جای آب خالص به متانول متکی است و ذخیره‌سازی طولانی مدت فراتر از مقیاس‌های زمانی آزمایشگاهی هنوز اثبات نشده است.

امیدواریم تحقیقات آینده این محدودیت‌ها را برطرف کند و در نهایت انتقال انرژی خورشیدی را از یک مفهوم امیدوارکننده به یک فناوری عملی در دنیای واقعی تبدیل کند.

این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.

منبع : ایسنا