تبدیل آب به سوخت هیدروژن با فتوسنتز

با رشد اقتصاد جهانی تقاضا برای انرژی بیشتر شده است، اما سیاره ما در آستانه تسلیم شدن در برابر خواسته های ماست. اینجاست که انرژی های کارآمد و سبز باید بکار گرفته شوند تا منابع طبیعی زمین بیش از این استفاده نشوند.

دانشمندان اکنون با استفاده از روش تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت به رکورد بهره وری دست یافته اند. ایده آنها اجرای مکانیسم های فتوسنتز برای افزایش هرچه بیشتر بازدهی تبدیل انرژی است.

دکتر "لیلاک امیراف" محقق اصلی این مطالعه می گوید: ما می خواهیم یک سیستم فوتوکاتالیستی بسازیم که از نور خورشید برای ایجاد واکنش های شیمیایی با اهمیت زیست محیطی استفاده می کند. 

وی و گروهش در حال طراحی یک فتوکاتالیست هستند که می تواند هیدروژن را از آب جدا کند.

وی توضیح می دهد: وقتی نانوذرات میله ای شکل را در آب قرار می دهیم و به آنها نور می تابانیم، آنها بارهای الکتریکی مثبت و منفی تولید می کنند. بدین ترتیب در این فرآیند، مولکول های آب شکسته می شوند، بارهای منفی باعث تولید هیدروژن می شوند(کاهش) و بارهای مثبت اکسیژن تولید می کنند(اکسیداسیون). این دو واکنش که شامل بارهای مثبت و منفی هستند، باید همزمان انجام شوند. بدون بهره گیری از بارهای مثبت، بارهای منفی برای تولید هیدروژن مورد نظر قابل هدایت نیستند.

همانطور که همه ما می دانیم، بارهای مخالف یکدیگر را جذب می کنند. اگر بارهای مثبت و منفی فرصتی برای ادغام پیدا کنند، هیچ چیزی برای دانشمندان باقی نمی گذارد. بنابراین نگه داشتن ذرات با بارهای متفاوت لازم است.

محققان برای انجام این کار، ساختارهای ناهمگون منحصر به فردی را طراحی کردند که شامل نیمه هادی ها یا رساناهای مختلف به همراه کاتالیزورهای فلزی و اکسید فلزی هستند. آنها یک سیستم مدل برای مطالعه کاهش و اکسایش ایجاد کرده اند و ساختارهای ناهمگن را برای عملکرد بهتر بهینه کرده اند.

در یک تحقیق در سال ۲۰۱۶ همین تیم ساختار ناهمگون دیگری را طراحی کرده بود که نقطه کوانتومی کادمیوم-سلنید در یک انتها بار مثبت را به خود جلب می کرد، در حالی که بار منفی از طرف دیگر جمع می شد.

یک ساختار های ناهمگون در یک بستر(معمولاً یک ماده نیمه رسانا) است، جایی که اندازه حرکات حامل های شارژ را مجبور می کند آنها را در محدوده کوانتومی محدود کند. این منجر به تشکیل مجموعه ای از سطوح انرژی گسسته می شود که حامل ها می توانند وجود داشته باشند. ساختارهای کوانتومی دارای چگالی واضح تر از ساختارهای بزرگتر هستند.

ساختارهای ناهمگون کوانتومی برای ساخت دیودهای نوری کوتاه مدت و لیزر دیودی و دیگر کاربردهای اپتوالکترونیک مانند سلول های فتوولتائیک با کارایی بالا مهم هستند. 

"امیراف" گفت: با تنظیم اندازه نقطه کوانتومی و طول میله و همچنین سایر پارامترها ما به میزان ۱۰۰ درصد تبدیل آب به هیدروژن توسط نور خورشید دست یافتیم. در این سیستم، یک نانوذره فوتوکاتالیست منفرد می تواند ۳۶۰ هزار مولکول هیدروژن را در یک ساعت تجزیه کند.

نقاط کوانتومی(QDs) نیمه هادی های کوچک و با اندازه چند نانومتر هستند و دارای خواص الکترونیکی هستند که به دلیل مکانیک کوانتومی با ذرات بزرگتر تفاوت دارند. آنها موضوعی اصلی برای فناوری نانو هستند. هنگامی که نقاط کوانتومی توسط نور ماوراء بنفش روشن می شوند، یک الکترون در نقطه کوانتومی می تواند در حالت انرژی بالاتر هیجان زده شود. در مورد نقطه کوانتومی، این فرآیند مربوط به انتقال یک الکترون از باند Valence به باند رسانایی است. الکترون هیجان زده می تواند به نوار ظرفیتی بازگردد و انرژی خود را با انتشار نور آزاد کند که رنگ آن نور به اختلاف انرژی بین باند رسانا و باند ظرفیت بستگی دارد.

به زبان علم مواد، مواد نیمه هادی نانو مقیاس محکم یا الکترون ها یا سوراخ های الکترونی را محکم بسته اند. نقاط کوانتومی بعضی اوقات به اتم های غیر مصنوعی گفته می شود و بر تکین بودن آنها، داشتن حالتهای الکترونیکی محدود مانند مواد اتمی یا مولکول های طبیعی تأکید می شود. نشان داده شده است که موج الکترونیکی توابع کوانتومی را با اتم های واقعی شباهت می دهد. با اتصال دو یا چند نقطه کوانتومی، می توان یک مولکول مصنوعی ساخت.

نقاط کوانتومی دارای خواص واسطه ای بین نیمه هادی های فله و اتم ها یا مولکول های گسسته هستند. ویژگی های انتخابی آنها به عنوان تابعی از اندازه و شکل تغییر می کند.  

کاربردهای بالقوه نقاط کوانتومی شامل ترانزیستورهای تک الکترونی، سلول های خورشیدی ، LED ها، لیزرها، منابع تک فوتونی، نسل دوم هارمونیک، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی است. اندازه کوچک آنها اجازه می دهد تا برخی QD ها در محلول به حالت تعلیق درآیند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان و پوشش اسپین شود. 

عبور از فرآیند اکسیداسیون آب یک چالش مهم است، زیرا چندین مرحله دارد. همچنین فرآورده های جانبی واکنش، ثبات نیمه هادی را به خطر می اندازد.

محققان در این مطالعه با رویکردی متفاوت پیش رفته اند. این بار به جای آب از ترکیباتی بنام بنزیلامین برای قسمت اکسیداسیون استفاده کردند. با این روش آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شود، در حالی که بنزیلامین به بنزآلدئید تبدیل می شود. 

محققان اکنون به دنبال ترکیبات دیگری هستند که برای تبدیل انرژی خورشیدی به شیمی مناسب باشد. با بکار گرفتن هوش مصنوعی در کنار اینها، محققان در جستجوی ترکیباتی هستند که می توانند برای این فرآیند مناسب باشند. 

منبع:ایسنا

No tags for this post.