رشد اقتصادی جهانی با افزایش تقاضا برای انرژی همراه است ، اما افزایش تولید انرژی می تواند چالش برانگیز باشد. به تازگی دانشمندان راندمان قابل توجهی برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت را بدست آورده اند و اکنون می خواهند ماشین آلات فتوسنتز را تولید کنند تا با سوخت هیدروژن با توان بیشتری استفاده کنند.
محققان نتایج خود را در نشست مجازی و نمایشگاه مجازی انجمن شیمیایی آمریکا (ACS) ارائه دادند.
گروه دکتر لیلاک امیراوی در موسسه فناوری آمریکا در حال طراحی یک دستگاه فوتوکاتالیستی است که می تواند آب را به سوخت هیدروژن تبدیل کند. وی می گوید وقتی نانوذرات میله ای شکل را در آب قرار می دهیم و به آنها تابش می دهیم، آنها بارهای الکتریکی مثبت و منفی ایجاد می کنند.
وقتی مولکول های آب می شکنند بارهای منفی هیدروژن (کاهش) تولید می کند و بارهای مثبت باعث تولید اکسیژن (اکسیداسیون) می شود. دو واکنش که شامل بارهای مثبت و منفی است، باید همزمان انجام شود و بدون بهره گیری از بارهای مثبت، بارهای منفی برای تولید هیدروژن مورد نظر هدایت نمی شود.
اگر بارهای مثبت و منفی که به یکدیگر جذب می شوند موفق به تولید ترکیب جدید شود یکدیگر را دفع می کنند و انرژی از دست می رود. بنابراین برای اطمینان، تیم ساختاری ناهمسان منحصر به فردی که متشکل از ترکیب نیمه هادی های مختلف همراه با کاتالیزورهای فلزی و اکسید فلزی است ساخته شد.
آنها با استفاده از یک اینم مدل، واکنشهای کاهش و اکسیداسیون را به طور جداگانه مورد مطالعه قرار داده و ساختار هتروسپرت را برای بهینه سازی تولید سوخت تغییر دادند.
در سال 2016 این تیم با ایجاد یک نقطه کوانتومی کادمیوم- سلنید کروی تعبیه شده در یک قطعه میله ای شکل سولفید کادمیوم، یک هتروساختار طراحی کرند. در این ساختار یک ذره فلزی پلاتین در نوک قرار داشت و ذرات کادمیوم سلنید، بارهای مثبت را به خود جلب می کند و بارهای منفی روی نوک جمع می شوند.
امیراوی می گوید با تنظیم اندازه نقطه کوانتومی و طول میله و همچنین سایر پارامترها ، به 100٪ تبدیل نور خورشید به هیدروژن ناشی از کاهش آب رسیده ایم. او خاطر نشان کرد که یک نانوذره فتوکاتالیست تنها می تواند 360،000 مولکول هیدروژن در ساعت تولید کند.
این گروه نتایج خود را در مجله ACS Nano Letters منتشر کردند. اما در این آزمایشات، آنها فقط نیمی از واکنش (کاهش) را مطالعه کردند. برای عملکرد مناسب سیستم فوتوکاتالیستی باید از واکنشهای کاهش و اکسیداسیون پشتیبانی کند.
امیراوی می گوید ما هنوز انرژی خورشیدی را به سوخت تبدیل نکردیم و ما هنوز به یک واکنش اکسیداسیون نیاز داریمکه به طور مداوم الکترون ها را به نقطه کوانتومی برساند. واکنش اکسیداسیون آب در یک فرایند چند مرحله ای اتفاق می افتد و در نتیجه یک چالش مهم باقی می ماند. علاوه بر این، محصولات جانبی آن به نظر می رسد ثبات نیمه هادی را به خطر می اندازد.
این گروه به همراه همكاران ، رویكرد جدیدی را جستجو كردند – به دنبال تركیبات مختلفی هستند كه می توانند به جای آب از آن اکسید شوند – و آنها را به بنزیلامین سوق داد.
محققان دریافتند که آنها می توانند هیدروژن را از آب تولید کنند و در عین حال بنزیل آمین را به بنزآلدئید تبدیل کنند. امیراوی می گوید با این تحقیق ما فرایند را از فتوکاتالیز به فتوسنتز ، یعنی تبدیل واقعی انرژی خورشیدی به سوخت تبدیل کرده ایم.
سیستم فوتوکاتالیستی تبدیل واقعی انرژی خورشیدی را به پیوندهای شیمیایی قابل ذخیره سازی انجام می دهد و با حداکثر 4.2٪ راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی انجام می پذیرد.
وی خاطرنشان می کند که این رقم رکورد جهانی جدیدی را در زمینه فتوکاتالیز ایجاد می کند و رکورد قبلی را دو برابر می کند.
این نتایج چشمگیر محققان را برانگیخت تا ببینند آیا ترکیبات دیگری با تبدیل خورشیدی به شیمی وجود دارد یا خیر. برای این کار تیم از هوش مصنوعی استفاده کرد و محققان در حال ایجاد الگوریتمی برای جستجوی ساختارهای شیمیایی برای یک ترکیب تولیدکننده سوخت ایده آل هستند.
علاوه بر این، آنها در حال بررسی راههای بهبود سیستم فتوسنتز خود هستند و یک راه ممکن است الهام گرفتن از طبیعت باشد. یک مجموعه پروتئینی در غشای سلول های گیاهی که شامل مدار الکتریکی فتوسنتز است با موفقیت با نانوذرات ترکیب شد.
امیراوی می گوید که این سیستم مصنوعی تاکنون مثمر ثمر بوده است و از اکسیداسیون آب حمایت می کند و در عین حال دارای فتوکورنت از 100 برابر بزرگتر از سیستم تولید شده توسط سایر سیستم های مشابه است.
منبع: phys
