روشی اقتصادی برای تولید هیدروژن با کمک آب و نورخورشید

پژوهشگران موفق شده‌‌اند با کمک سلول‌‌های خورشیدی پروسکایتی، دستگاهی نسبتا ارزان طراحی کنند که می‌تواند از آب سوختی پاک استخراج کند.

چندین سال است که دانشمندان به‌‌دنبال یافتن روشی مؤثر برای استخراج هیدروژن از مولکول‌‌های آب هستند تا بتوانند ظرفیت‌‌های بالقوه‌‌ی هیدروژن را به‌‌عنوان سوخت پاک آینده به عرصه‌ی ظهور برسانند. حال دستگاهی جدید طراحی شده است که می‌‌تواند تنها با کمک نورخورشید این رؤیای دیرین بشر را تحقق بخشد. این اختراع جالب با ترکیب الکترودهای کاتالیزوری و سلول‌‌های خورشیدی پروسکایتی توانسته روشی مؤثر برای تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن با بازدهی ۶/۷ درصدی ارائه کند. به‌گفته‌ی طراحان، دستگاه با قرارگرفتن درون آب شروع به کار می‌‌کند و تا زمان غروب آفتاب به کار خود ادامه خواهد داد.

هنوز بسیار زود است که به ‌فکر جایگزینی تمامی خودروهای بنزینی خود با انواع مبتنی‌بر پیل‌های سوختی هیدروژنی باشیم؛ ولی پژوهشگران ابراز امیدواری کرده‌اند بتوان در مدت کوتاهی فناوری تازه را در مقیاس‌های بزرگ‌تر و کاربردهایی وسیع‌تر به‌کار گرفت.

^{نمایی از سطح مقطع کاتالیزور دستگاه}

جان لو، دانشمند علم مواد می‌‌گوید:

این طرح بسیار شبیه به مفهوم برگ مصنوعی است. ما ماژول مجتمعی دراختیار داریم که نورخورشید را به انرژی برق موردنیاز برای انجام واکنش الکتروشیمیایی تبدیل می‌‌کند. این دستگاه از آب و نورخورشید برای تولید سوخت شیمیایی بهره می‌‌برد.

فناوری سلول‌‌های خورشیدی پروسکایتی یکی از فناوری‌‌های نوظهور در صنعت انرژی خورشیدی است که گفته می‌شود درصورت تسلط بر آن، می‌‌توان انرژی خورشیدی را با میزان بازدهی بیشتری از سلول‌‌های سیلیکونی فعلی به برق تبدیل کرد. در دستگاه جدید، از سلول‌‌های پروسکایتی برای تأمین انرژی کاتالیزور الکتروشیمیایی استفاده شده است و این کاتالیزور به‌‌نوبه‌‌ی خود مولکول‌‌های آب را به مولکول‌های اکسیژن و هیدروژن تجزیه می‌‌کند.

نکته‌‌ی جالب درباره‌ی این فناوری آن است که هزینه‌ی ساخت چنین دستگاهی چندان هنگفت نخواهد بود. کلید اصلی این فناوری در شیوه‌‌ی کپسوله‌‌سازی استفاده‌شده در آن است؛ یعنی روشی که دانشمندان برای افزودن لایه‌‌ی پلیمری به سلول پروسکایت و درنتیجه، محافظت از آن دربرابر نفوذ آب به‌‌کار گرفته‌‌اند. پلیمر یادشده علاوه‌‌بر محافظت از سلول خورشیدی، امکان عبور نورخورشید را به درون سلول نیز فراهم و به‌‌عنوان عایقی میان سلول و الکترود نیز عمل می‌‌کند. با بهبود فناوری در بخش کپسول‌‌سازی و افزایش بازدهی سلول خورشیدی، می‌‌توان انتظار داشت این دستگاه به‌‌عنوان منبع پایداری از انرژی مطرح شود. لو می‌گوید:

با طراحی سیستمی هوشمند به‌‌صورت بالقوه می‌‌توانید حلقه‌‌ی خودپایدار ایجاد کنید. حتی در زمان‌‌هایی که نورخورشید دردسترس نباشد، می‌توانید انرژی را به‌‌شکل سوخت شیمیایی ذخیره کنید. می‌‌توانید هیدروژن و اکسیژن تولیدشده را در مخازنی جداگانه نگه‌داری کنید و با کمک ماژولی نظیر پیل سوختی این سوخت را دوباره به برق تبدیل کنید.

فناوری یادشده هنوز در ابتدای راه خود قرار گرفته است و هنوز جای کار فراوانی برای توسعه‌ی آن وجود دارد؛ با‌این‌حال، دستگاه جدید برخی از مشکلات موجود در طراحی‌های قبلی را از میان برداشته است. برای مثال، ضدآب‌‌شدن سلول‌‌های پروسکایتی بدان‌معنا است که می‌‌توان این سلول‌‌ها را به‌‌طورمستقیم درون آب قرار داد و این دستاورد سرعت فرایند تبدیل را بسیار افزایش خواهد داد. همچنین، تیم پژوهشی برخلاف رویه‌‌ی سال‌های گذشته، ذخیره‌‌سازی جداگانه‌‌ی هر دو گاز هیدروژن و اکسیژن را مدنظر قرار داده است.

در‌حال‌حاضر، دانشمندان مشغول آزمایش انواع مختلفی از مواد درکنار پروسکایت‌‌ها هستند تا بتوانند بهره‌‌وری میزان تولید الکتریسیته از نورخورشید را افزایش دهند. یکی از مشکلات استفاده ‌‌از سلول‌‌های خورشیدی پروسکایتی، هزینه‌‌ی گران تولید آن‌‌ها است؛ ولی در مطالعه‌‌ی اخیر، از انواع ارزان‌‌قیمتی از این سلول‌‌ها (کربن به‌‌جای پلاتینیوم) استفاده شد. لو معتقد است:

این موضوع می‌‌تواند موانع پیش ‌رو برای ورود محصول به فاز تجاری را کم‌رنگ‌‌تر کند. تجهیزات مجتمعی مانند این دستگاه می‌‌تواند بسیار امیدبخش باشند؛ چراکه می‌‌توانند سیستم‌‌هایی پایدار را خلق کنند.

پزوهش اخیر ۲۹ آوریل سال جاری در ژورنال ACS Nano منتشر شده است.