به گزارش تجارت نیوز، تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی یکی از راهحلهای پاک و پایدار برای تامین سوختهای فسیلی و کاهش اثرات منفی تغییرات اقلیمی محسوب میشود. با این حال، سیستمهای موجود برای تولید هیدروژن از نور خورشید، هنوز با محدودیتهایی مواجه هستند. به تازگی، دانشمندان ژاپنی از موسسه علوم توکیو به موفقیت جدیدی دست یافتهاند که میتواند به طور قابل توجهی این فرآیند را بهینه کرده و کارایی تولید هیدروژن از نور خورشید را افزایش دهد.
توسعه فوتوکاتالیست جدید با جذب نور بیشتر
دانشمندان ژاپنی موفق شدند یک فوتوکاتالیست جدید طراحی کنند که میتواند از بخش وسیعتری از طیف نور خورشید برای تولید هیدروژن استفاده کند. این فوتوکاتالیست جدید با جایگزینی فلز روتنیوم با اسمیوم، قادر است نور با طول موج بلندتر از ۶۰۰ نانومتر را جذب کند و به این ترتیب بخش گستردهتری از انرژی خورشید را در فرآیند تولید هیدروژن مورد استفاده قرار دهد.
این پیشرفت، حاصل تلاش تیمی از محققان موسسه علوم توکیو به رهبری پروفسور کازوهیکو مائدا و دانشجوی کارشناسی ارشد هاروکا یاماموتو است. آنها با طراحی یک سیستم حساس به رنگ جدید، توانستهاند نور مرئی با طول موج بلندتر را که در فوتوکاتالیستهای معمولی معمولا جذب نمیشود، جذب کنند.
مشکلات سیستمهای هیدروژن خورشیدی مرسوم
سیستمهای هیدروژن خورشیدی معمولا از فوتوکاتالیستهایی استفاده میکنند که نور خورشید را جذب کرده و از آن برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن بهره میبرند. این رویکرد جذاب است زیرا به تولید سوخت بدون انتشار کربن منجر میشود. اما فوتوکاتالیستهای رایج فقط قادر به جذب بخش کوچکی از طیف نور خورشید هستند. بیشتر سیستمهای موجود فقط قادر به جذب طول موجهای کوتاهتر هستند که به این معناست که بخش بزرگی از انرژی خورشیدی هدر میرود. این مشکل زمانی که شرایط نوری مناسب نباشد، مانند روزهای ابری یا هنگام تابش کم خورشید، بیشتر به چشم میآید. حتی فوتوکاتالیستهای حساس به رنگ که با استفاده از مولکولهای رنگی توانستهاند جذب نور را بهبود بخشند، هنوز هم محدود به بخشهایی از طیف نوری هستند که کارایی کمتری دارند.
چرا اسمیوم باعث بهبود عملکرد میشود؟
تیم علمی توکیو با استفاده از اسمیوم به جای روتنیوم در ساختار فوتوکاتالیست جدید، توانستهاند تغییرات چشمگیری در جذب نور ایجاد کنند. اسمیوم با ویژگی خاصی به نام اثر اتم سنگین شناخته میشود که موجب برانگیختگی تکتایی-سهتایی میشود. این گذار الکترونیکی کمانرژی باعث میشود که فوتوکاتالیستهای مبتنی بر اسمیوم بتوانند نور با طول موج بلندتر (بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر) را جذب کنند و این ویژگی به آنها اجازه میدهد تا طیف وسیعتری از انرژی خورشید را بهرهبرداری کنند.
در حالی که فوتوکاتالیستهای معمولی بر پایه روتنیوم فقط قادر به جذب نور با طول موجهای کمتر از ۶۰۰ نانومتر هستند، فوتوکاتالیستهای جدید مبتنی بر اسمیوم میتوانند نور بیشتری را جذب کرده و به تولید هیدروژن بیشتری منجر شوند. این ویژگی باعث میشود که این سیستم حتی در شرایط نوری ضعیفتر یا کمنورتر، عملکرد بهتری داشته باشد.
افزایش دو برابری راندمان تولید هیدروژن
طبق یافتههای این مطالعه، سیستم فوتوکاتالیست جدید قادر است راندمان تولید هیدروژن را تا دو برابر بیشتر از فوتوکاتالیستهای حساس به رنگ سنتی افزایش دهد. این بهبود نه تنها در شرایط نور شدید خورشید، بلکه در شرایط مختلف آب و هوایی و نوری نیز میتواند مفید باشد. بنابراین، این فناوری میتواند در فضاهای باز و محیطهای با شرایط نوری متغیر عملکرد بهتری داشته باشد.
پیامدهای فناوریهای انرژی پاک در آینده
توانایی جذب نور بیشتر و تبدیل آن به انرژی شیمیایی میتواند در بهبود کارایی سیستمهای فتوسنتز مصنوعی و تولید هیدروژن غیرمتمرکز بسیار موثر باشد. این نوع سیستمها میتوانند در شرایط مختلف آب و هوایی با اطمینان بیشتری عمل کرده و به گسترش استفاده از انرژیهای پاک کمک کنند. این تحقیق همچنین راه را برای طراحی فوتوکاتالیستهای نسل بعدی هموار میکند. با انتخاب دقیق مراکز فلزی و بهبود خواص جذب نور، میتوان بدون نیاز به تغییرات عمده در طراحی سیستمها، کارایی تولید هیدروژن را به طور چشمگیری افزایش داد.
در نهایت، این مطالعه از موسسه علوم توکیو نویدبخش پیشرفتهای قابل توجهی در فناوری تولید هیدروژن خورشیدی است. استفاده از اسمیوم به جای روتنیوم در ساختار فوتوکاتالیستها، راهی نوآورانه برای بهرهبرداری از طیف وسیعتری از نور خورشید برای تولید سوختهای پاک و پایدار است. این تحقیقات میتواند به بهبود کارایی سیستمهای انرژی خورشیدی و فراهم کردن راهحلهای مناسبتر برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در دنیای واقعی منجر شود.
