دستاورد پژوهشگران ایرانی در طراحی سامانه نانویی برای تولید هیدروژن خورشیدی با بازده بالا و پایداری بیشتر
پژوهشگران دانشگاه اصفهان و صنعتی امیرکبیر با همکاری شرکت اپتیک نیرو موفق به توسعه سامانهای نانویی با ساختار اپال معکوس و ماده پروسکایتی شدند که بازده تولید هیدروژن خورشیدی را افزایش میدهد و پایداری بالایی در محیط آبی دارد. این دستاورد گامی مهم در تولید سوخت پاک و کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی است.
به نقل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، تیمی از پژوهشگران ایرانی موفق به طراحی سامانه نانویی جدید برای تولید هیدروژن خورشیدی شدهاند که میتواند بازده جذب نور را افزایش داده و پایداری سیستم را در محیطهای آبی به شکل چشمگیری بهبود بخشد.
در این فناوری، از نانوساختار اپال معکوس در دیاکسید تیتانیوم (TiO₂) به همراه ماده پروسکایتی CsPbBr₃ استفاده شده است. این ترکیب ضمن افزایش بازده جذب نور، چالش مهم ناپایداری مواد فعال در فرآیندهای فتوالکتروشیمیایی را برطرف میکند.
در این سامانه، یک لایه کربنی رسانا شامل ترکیبی از کربن بلک، گرافیت و تونر بازیافتی مورد استفاده قرار گرفته است که علاوه بر کاهش هزینه، دوام و پایداری دستگاه را نیز افزایش داده است. طبق دادههای منتشرشده، چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع بدون نیاز به همکاتالیست به ثبت رسیده است؛ عددی که نشاندهنده قابلیت بالای این فناوری در ورود به نسل جدید سامانههای تولید سوخت سبز هیدروژنی است.
در شرایطی که جهان همچنان با بحرانهای ناشی از آلودگی هوای شهری، گرمایش جهانی و وابستگی به سوختهای فسیلی روبهرو است، توسعه فناوریهای نوین برای تولید سوخت پاک و پایدار ضرورت دارد. هیدروژن خورشیدی بهدلیل ویژگیهای منحصربهفردش – از جمله تولید تنها آب هنگام مصرف – بهعنوان گزینهای جدی در آینده انرژی معرفی میشود.
پژوهشگران دانشگاه اصفهان با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و شرکت اپتیک نیرو مستقر در مرکز رشد دانشکده فنیوحرفهای شمسپور، سامانهای جدید برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب طراحی کردهاند که با استفاده از نور خورشید، مولکولهای آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکند.
قلب این فناوری، فوتوآند (الکترود نوری) است که وظیفه جذب نور خورشید و تولید بارهای الکتریکی لازم برای انجام واکنش را بر عهده دارد. افزایش بهرهوری این بخش، نقش تعیینکنندهای در تولید اقتصادیتر هیدروژن سبز دارد.
با توجه به نتایج این طرح، فناوری ایرانی جدید میتواند بهعنوان یک راهکار مؤثر برای ارتقای پایداری و بازده تولید هیدروژن خورشیدی معرفی شود. این دستاورد علمی گامی ارزشمند در جهت تحقق اهداف زیستمحیطی و توسعه اقتصاد انرژیهای تجدیدپذیر در ایران است.
پژوهشگران در این پروژه از ترکیب CsPbBr۳، نوعی پروسکایت هالیدی غیرآلی، استفاده کردهاند. این ماده به دلیل قیمت نسبتاً پایین، قابلیت ساخت در دمای محیط، امکان تنظیم گاف انرژی و توان مناسب در انتقال حاملهای بار، در سالهای اخیر توجه زیادی را جلب کرده است. با این حال، فیلمهای نازک این ماده در جذب کامل نور، بهویژه در مرز طول موجهای جذب، محدودیت دارند و در محیطهای آبی نیز دوام آنها چالشبرانگیز است.
نقطه اصلی نوآوری این پژوهش در بخش نانویی آن نهفته است؛ جایی که دانشمندان از لایه نانوساختار دیاکسید تیتانیوم با معماری اپال معکوس استفاده کردهاند. اپال معکوس ساختاری سهبعدی با حفرههای منظم در مقیاس نانو است که میتواند نور را پراکنده و درون ماده به دام اندازد. این ویژگی سبب میشود فوتونهای بیشتری جذب شوند و بازده تبدیل انرژی افزایش یابد.
به بیان ساده، این ساختار نانویی مانند تالاری پر از آینه برای نور عمل میکند؛ نور بارها درون ساختار بازتاب میشود و فرصت بیشتری برای جذب توسط لایه پروسکایتی پیدا میکند. همین مسئله یکی از دلایل اصلی افزایش عملکرد سامانه بوده است.
افزون بر این، لایه اپال معکوس TiO۲ تنها نقش نوری ندارد، بلکه مانند داربستی برای جمعآوری و انتقال الکترونها نیز عمل میکند. در سامانههای فتوالکتروشیمیایی، اگر بارهای الکتریکی بهسرعت جدا و منتقل نشوند، پیش از انجام واکنش از بین میروند. ساختار نانویی طراحیشده مسیر حرکت الکترونها را کوتاهتر کرده و بازترکیب بارها را کاهش میدهد. نتیجه این فرایند، افزایش راندمان جداسازی بار و تولید جریان نوری بیشتر است.
پژوهشگران برای رفع مشکل ناپایداری پروسکایت در تماس با الکترولیت آبی، راهکار دیگری نیز ارائه کردهاند. آنها یک لایه محافظ و رسانا از جوهر کربنی شامل کربن بلک، گرافیت و تونر کربنی بازیافتی را روی سطح پروسکایت قرار دادند. این لایه هم به حفاظت از ماده فعال کمک میکند و هم انتقال بار از الکترود به محلول را بهبود میبخشد. استفاده از مواد بازیافتی در این بخش نیز میتواندهزینه نهایی فناوری را کاهش دهد؛ اتفاقی نادر در جهانی که معمولاً فناوریهای سبز را گران میسازند و بعد از مردم انتظار تشویق دارند.
نتایج آزمایشها نشان داد بهترین نمونه ساختهشده با آرایش شیشه/FTO/TiO۲ فشرده/TiO۲ مزوحفرهای/TiO۲ اپال معکوس/CsPbBr۳/C توانسته به چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع در ولتاژ ۱٫۲۳ ولت نسبت به الکترود هیدروژن برگشتپذیر دست یابد. این مقدار بدون استفاده از همکاتالیست به دست آمده است؛ موضوعی که اهمیت اقتصادی و فناورانه این دستاورد را افزایش میدهد.
همچنین این سامانه توانست عملکرد خود را به مدت ۱۰ هزار ثانیه در شرایط pH خنثی حفظ کند؛ نکتهای مهم، زیرا بسیاری از فوتوآندهای پروسکایتی در مدت کوتاهی دچار افت عملکرد میشوند.
بررسیهای تکمیلی با روشهای طیفسنجی فوتولومینسانس و امپدانس الکتروشیمیایی نیز نشان داد حضور ساختار نانویی اپال معکوس، جداسازی بار و انتقال الکترون را به شکل محسوسی بهبود داده است. به عبارت دیگر، این نانوساختار نهتنها نور بیشتری جذب میکند، بلکه از همان نور نیز هوشمندانهتر استفاده میکند؛ رفتاری که برای بسیاری از سامانههای انسانی هم آرزویی دستنیافتنی است.
اهمیت این پروژه فراتر از یک نتیجه آزمایشگاهی است. اگر چنین فناوریهایی به مقیاس صنعتی برسند، میتوان از نور خورشید برای تولید هیدروژن پاک با هزینه کمتر استفاده کرد؛ سوختی که میتواند در نیروگاهها، خودروهای پیل سوختی و صنایع انرژیبر به کار گرفته شود.
این پژوهش نشان میدهد ترکیب مواد نوظهور پروسکایتی با مهندسی نانوساختارها میتواند راه تازهای برای توسعه سامانههای انرژی پاک بگشاید. دستاورد محققان دانشگاه اصفهان و همکارانشان نمونهای روشن از آن است که فناوری نانو چگونه میتواند از مقیاس اتم و نانومتر، بر مسئلهای به بزرگی بحران انرژی جهان اثر بگذارد.
