حل یک مساله چالشی برای کاهش مصرف موادکربنی در حوزه انرژی

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی شریف، دکتر علیرضا مشفق عضو هیئت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف با همکاری جمعی از پژوهشگران دانشگاه‌های شریف، SKKU کشور کره جنوبی و الزهرا با حل یک مساله چالشی برای کاهش مصرف موادکربنی در حوزه تولید انرژی، موفق شد مقاله خود را در مجلّه معتبرACS Catalysis به چاپ برساند.

این مقاله با عنوان "میکروکره‌های سلسله مراتبی نیکل اکسید مبتنی بر آرایه‌ای از نانو میله‌ها به عنوان الکتروکاتالیست با عملکرد دوگانه برای تجزیه‌ی فوتولیز/الکترولیز انتخابی و مقاوم در برابر خوردگیِ آب دریا"، با حل نظری و تجربی یک مساله چالشی برای کاهش مصرف موادکربنی در حوزه تولید انرژی، اکنون نوید بکارگیری منابع فراوان و پاک روی کره زمین (فناوری فوتوولتائیک در آب دریا) را می‌دهد.

در این مقاله آمده است؛ یکی از اصلی‌ترین چالش‌هایی که بشر در قرن ۲۱ با آن مواجه است، بحران تامین انرژی است. حدود ۸۵ درصد مصرف کل انرژی جهان از طریق بکارگیری سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود که علاوه بر اینکه منابع آنها محدود هستند و در سال‌های آینده جوابگوی نیاز انرژی بشرنخواهند بود؛ باعث انتشار میزان زیادی گازهای گلخانه‌ای ازجمله کربن دی اکسید می‌شوند. به دنبال گسیل گازهای گلخانه‌ای در فضا تغییرات اقلیمی از جمله تغییر در میزان بارش‌های سالیانه و تغییردر pH آب دریاها در حال وقوع است که سلامت بشر را تهدید می‌کند.

در واقع، اثرات زیست محیطیِ زیانبار به شکل وسیعی در حال گسترش هستند و با ادامه‌ی شرایط فعلی سیاره‌ی زمین به سمت شرایط غیرقابل قبولی برای نسل‌های آتی پیش خواهد رفت. برای رفع این مشکلات، تحولات اساسی در حوزه انرژی و پذیرش جامعه برای مصرف کمتر از مواد کربنی امری بسیار ضروری است. از این رو اهمیت بکارگیری منابع تمیز و تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی مناسب و بالقوه برای سوخت‌های فسیلی بیش از پیش الزامی است.

هیدروژن یک حامل انرژی پاک و قابل ذخیره سازی، پایدار و دوستدار محیط زیست می باشد که می‌تواند از طریق الکترولیز آب تولید شود و در جهت مبارزه با تغییرات اقلیمی و رسیدن به میزان صفر انتشار گازهای گلخانه‌ای موثر واقع گردد. زیرا چرخه تولید و مصرف و بازسازی هیدروژن بدون انتشار کربن انجام می‌شود. اما تولید هیدروژن از طریق تجزیه آب خالص در جهان فشار زیادی به منابع آب شیرین وارد خواهد کرد.

بنابراین، وابستگی فناوری الکترولیز آب به منابع آب شیرین یک تهدید بزرگ برای محیط زیست پایدار خواهد بود. از طرفی آب‌های شور و کم کیفیت موجود در اقیانوس‌ها و دریاها به عنوان یکی از منابع فراوان بر روی کره‌ی زمین هستند که می‌توانند در جهت رفع تغییرات اقلیمی و تامین انرژی پاک به طور اقتصادی مورد استفاده قرار گیرند، به گونه‌ای که الکترولیز آب دریا برای تولید هیدروژن پایدار و اصلاحات زیستی می‌تواند به یک فناوری جذاب و انعطاف پذیر تبدیل شود. در واقع فناوری الکترولیز آب دریا یادآور ضرب المثل "با یک تیر دو نشان زدن است" چرا که هم در جهت تولید هیدروژن و هم برای شیرین‌سازی آب دریا می‌تواند بکار گرفته شود.

الکتروکاتالیست‌ها به عنوان مولفه‌ی کلیدی سیستم‌های الکتروشیمیایی تجزیه آب دریا محسوب می‌شوند. از این رو توسعه و بکارگیری الکتروکاتالیست‌های مناسب که مواد آنها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه هستند و پایداری خوبی در برابر خوردگی آب دریا دارند و در نهایت کارایی و عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند در حوزه تامین انرژی پاک و محیط زیست سالم، امری بسیار ضروری است.

حال در یک پژوهش پیشگامانه، گروهی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف، با تلاش خدیجه همتی (دانشکده فیزیک) به سرپرستی دکتر علیرضا مشفق (دانشکده فیزیک) و همکاری پژوهشگران دانشگاه SKKU کره جنوبی به سرپرستی دکتر هیویانگ لی (دانشکده انرژی) و دکتر مرادلو از دانشگاه الزهرا (دانشکده شیمی)، به صورت نظری و تجربی موفق به طراحی و ساخت الکتروکاتالیست‌هایی پایدار و زیست سازگار با هزینه‌های پایین با عملکرد دوگانه جهت تجزیه کارآمد و بادوام آب دریا به سوخت‌های هیدروژن و اکسیژن و همچنین تضعیف و کنترل واکنش‌های رقابتی و مزاحم موجود در آب دریا شدند. به طور خلاصه، الکتروکاتالیست‌های نانوساختار بر پایه نیکل شامل میکروکره‌های نیکل اکسید هستند به طوریکه سطح این میکروکره‌ها بصورت کاملا یکنواخت و متراکم توسط آرایه‌ای از نانو ساختارهای میله‌ای شکل پوشیده شده که منجر به یک معماری با ساختار سلسه مراتبی سه بعدی با مورفولوژی قاصدک شکل خواهد شد.

وجود و مشارکت سطح موثر بالا با سایت‌های فعال فراوان ناشی از تشکیل این معماری، بهبود فعالیت ذاتی هر سایت فعال و همچنین توانایی انتقال بار موثر ناشی از رسانایی الکتریکی خوب باعث افزایش فعالیت الکتروکاتالیستی سیستم توسعه یافته در راستای انجام هر دو نیم واکنش تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن و تضعیف و کنترل واکنش‌های مزاحم و رقابتی در آب دریا می‌شود. پایداری خوب الکتروکاتالیست سنتز شده را می‌توان عمدتا به دلیل مقاومت در برابر خوردگی ساختار سلسله مراتبی نیکل اکسید نسبت داد. دستاوردهای حاصل از این پژوهش نه تنها امکان استفاده از الکتروکاتالیست‌های فلزات غیر نجیب برای تولید سوخت‌های هیدروژن و اکسیژن از آب شورِ دریا را مطرح می‌کند، بلکه رویکردی نو برای طراحی منطقیِ و موثر ساختارهای با معماری سلسله مراتبی سه بعدی به منظور استفاده در حوزه تبدیل و ذخیره انرژی ارائه می‌دهد.

این گروه پژوهشی همچنین موفق شدند یک سیستم یکپارچه خورشیدی تجزیه آب دریا را با استفاده از الکتروکاتالیست‌های توسعه داده شده راه‌اندازی کنند. یکی از مزیت‌های تولید هیدروژن با استفاده از تجزیه الکتروکاتالیستی آب شوردریا نیز سادگی و اقتصادی بودن آن است. به همین دلیل این سیستم قابلیت آنرا دارد که در مقیاس جهانی مورد استفاده قرار گیرد. از این رو چشم‌انداز وسیع‌تر این پژوهش طراحی و ساخت دستگاه تولید همزمان الکتریسیته و آب شیرین با استفاده از هیدروژن و اکسیژن تولید شده از آب دریا است.

گفتنی است نتایج این پژوهش ۶ آوریل ۲۰۲۳ در جلد ۱۳ (صفحات ۵۵۲۸-۵۵۱۶) مجلّه معتبرACS Catalysis از انتشارات انجمن شیمی آمریکا (ACS) با ضریب تأثیر ۱۳.۷ به چاپ رسیده است.