بررسی جدید پژوهشگران آمریکایی نشان میدهد که مواد کوانتومی میتوانند به تولید هیدروژن از آب با انرژی خورشیدی کمک کنند.
به گزارش خبرگزاری سیناپرس ، سوخت هیدروژنی که یک جایگزین امیدوارکننده برای سوختهای فسیلی است، هنگام استفاده فقط بخار آب منتشر میکند و به همین دلیل میتواند انتشار گازهای گلخانهای را در جو زمین کاهش دهد. در آینده میتوان از سوخت هیدروژنی برای سوخترسانی به وسایل نقلیه سنگین مانند کامیونها، قطارها و کشتیها و همچنین سیستمهای گرمایش صنعتی و تولید برق غیرمتمرکز استفاده کرد.
بیشتر روشهای کنونی تولید هیدروژن به سوزاندن سوختهای فسیلی متکی هستند و این کار، مزایای زیستمحیطی آن را محدود میکنند. با توجه به پتانسیل هیدروژن، بسیاری از مهندسان انرژی در سراسر جهان در تلاش هستند تا راهبردهای پایدارتری را برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ ابداع کنند.
یکی از روشهای پیشنهادی برای تولید پاک هیدروژن، تجزیه فوتوکاتالیستی آب است. این روش مستلزم تجزیه مولکولهای آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از فوتوکاتالیستهاست. فوتوکاتالیستها موادی هستند که به نور خورشید واکنش نشان میدهند و واکنشهای شیمیایی مورد نظر را تحریک میکنند.
پژوهشگران «دانشگاه میشیگان»(UMich) اخیراً ابرشبکههای کوانتومی اکسیتونی جدید را ابداع کردهاند که مواد ابررسانای لایهای فوقالعاده نازک هستند و در آنها جفت الکترونها و حفرههای مقید یعنی اکسیتونها تشکیل میشوند. این مواد میتوانند از تولید هیدروژن با انرژی خورشیدی پشتیبانی کنند. مشخص شد که این مواد امیدوارکننده از عهده تجزیه آب برمیآیند و هیدروژن پاک را با راندمان قابل توجهی تولید میکنند.
«یویانگ پن»(Yuyang Pan) و «بینگشینگ ژانگ»(Bingxing Zhang) پژوهشگران این پروژه و همکارانشان در مقاله خود نوشتند: تولید هیدروژن پاک مستقیماً از نور خورشید و آب به عنوان مسیری امیدوارکننده برای دستیابی به خنثیسازی کربن و پایداری زیستمحیطی ظهور کرده است. با وجود این، استفاده ناکارآمد از حاملهای بار تولید شده توسط نور در فوتوکاتالیستها، مانع کارآیی تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن میشود. ما استفاده از ساختارهای ابرشبکه کوانتومی اکسیتونی متشکل از نیترید گالیوم در مقیاس نانومتر و نیترید گالیوم ایندیوم را برای دستیابی به هدایت مؤثر بار الکتریکی و تجزیه کلی فوتوکاتالیستی آب نشان میدهیم.
پن، ژانگ و همکارانشان مواد لایهای جدیدی را طراحی کردند که نیمهرساناهای نیترید گالیوم و نیترید گالیوم ایندیوم را در یک ابرشبکه ترکیب میکنند. این یک ترکیب نانومتری از دو ماده است که ویژگیهای اپتوالکترونیکی خاصی را از خود نشان میدهد.
پژوهشگران با استفاده از پدیده «اثر اشتارک محدودشده کوانتومی» توانستند طول عمر اکسیتونها را در ابرشبکههای کوانتومی خود با دقت مهندسیشده افزایش دهند. سپس، عملکرد این مواد را برای تحریک تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق انرژی خورشیدی آزمایش کردند.
پژوهشگران در بررسیهای اولیه آزمایشگاهی و میدانی در فضای باز دریافتند که مواد کوانتومی آنها تبدیل آب به هیدروژن با انرژی خورشیدی را با راندمان ۳.۱۶ درصد در آزمایشگاه تحت نور خورشید متمرکز و تا ۱.۶۴ درصد در محیط باز امکانپذیر میکنند. این نتایج دلگرمکننده هستند و پتانسیل مواد کوانتومی را برای تحقق تجزیه فوتوکاتالیستی آب برجسته میکنند.
اگرچه راندمانهای گزارششده توسط پان، ژانگ و همکارانشان هنوز بسیار پایینتر از آن چیزی است که باید باشد تا امکان استفاده گسترده از سیستمهای تجزیه آب را فراهم کند اما آنها امکان تبدیل آب به ابرشبکههای کوانتومی با بهرهگیری از هیدروژن را اثبات میکنند. در آینده، مواد معرفیشده توسط این گروه پژوهشی میتوانند بیشتر بهبود یابند و الهامبخش طراحی ابرشبکههای مشابه دیگر باشند.
به نقل از ایسنا، این روش در نهایت میتواند امکانات جدیدی را برای تولید پاک هیدروژن در مقیاس بزرگ فراهم آورد و به تلاشهای جهانی با هدف کاهش انتشار گازهای گلخانهای کمک کند.
این پژوهش در مجله «Nature Energy» به چاپ رسید.
