تولید پراکسید هیدروژن با نور خورشید؛ تحول بزرگ در کربن‌زدایی صنعت شیمی

پراکسید هیدروژن؛ ماده‌ای حیاتی که هنوز آلاینده تولید می‌شود

پراکسید هیدروژن از دهه‌ها پیش یکی از مهم‌ترین مواد صنعتی بوده و در بخش‌های مختلفی مانند تصفیه و گندزدایی آب، ساخت نیمه‌هادی‌ها و میکروچیپ‌ها، صنعت کاغذ و نساجی، دارو و مواد ضدعفونی‌کننده و پاک‌کننده‌های خانگی مصرف گسترده دارد.

با وجود این اهمیت، تقریباً ۹۹ درصد تولید جهانی هنوز از طریق فرآیند آنتراکینون انجام می‌شود. این روش قدیمی وابسته به سوخت‌های فسیلی است، به مواد شیمیایی خطرناک نیاز دارد، زباله و پساب آلاینده تولید می‌کند و نیازمند حمل‌ونقل پراکسید غلیظ با ریسک بالای انفجار است.

علیرضا عباسپورراد، استاد دانشگاه کرنل و نویسنده مسئول این تحقیق، می‌گوید: «فرآیند آنتراکینون اگرچه کارآمد است، اما یکی از آلاینده‌ترین بخش‌های صنعت شیمی محسوب می‌شود. انتقال مقادیر بالای پراکسید غلیظ هم یک خطر همیشگی است.»

نوآوری کرنل: تولید پراکسید با نور خورشید، آب و اکسیژن

تیم پژوهشی کرنل نشان داده است که می‌توان با کمک نور مرئی خورشید، مواد جدید و آب، پراکسید هیدروژن تولید کرد؛ بدون نیاز به سوخت فسیلی، حرارت بالا یا مواد سمی.

فناوری چگونه کار می‌کند؟

محققان دو ماده جدید به نام‌های ATP-COF-1 و ATP-COF-2 طراحی کرده‌اند. این مواد از خانواده «چارچوب‌های آلی کووالانسی» (COF) هستند؛ ساختارهای متخلخل و سبکی که می‌توانند نور خورشید را جذب، الکترون‌ها را جدا و هدایت کنند و واکنش بین آب (H₂O) و اکسیژن (O₂) را فعال سازند تا در نهایت پراکسید هیدروژن (H₂O₂) تولید شود. این واکنش کاملاً پاک بوده و هیچ محصول جانبی خطرناک تولید نمی‌کند.

بر اساس داده‌های منتشر شده، این مواد در نور مرئی، حتی زیر شدت نوری کم، عملکرد بالا دارند، قابل استفاده مجدد هستند و پس از چندین چرخه تخریب نمی‌شوند. بازده آنها در بسیاری از تست‌ها با فتوکاتالیست‌های موجود برابر یا بالاتر بوده است.

تولید در محل مصرف؛ مزیت عملی برای صنایع و شهرها

اهمیت این فناوری فقط در پاک بودن آن نیست؛ بلکه در این است که می‌تواند تولید این ماده را از کارخانه‌های عظیم و متمرکز جدا کرده و به نقاط مصرف منتقل کند. این روش به تصفیه‌خانه‌های آب، بیمارستان‌ها، کارخانه‌های تولید غذا و دارو، و مناطق دورافتاده امکان می‌دهد که پراکسید هیدروژن را همان‌جا و در همان لحظه تولید کنند.

این موضوع سه پیامد مهم و عملیاتی دارد:

1. کاهش خطر حمل‌ونقل مواد شیمیایی خطرناک و غلیظ.
2. کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از فرآیندهای فعلی.
3. کاهش مصرف انرژی و حذف بسیاری از فرایندهای وابسته به حرارت یا فشار بالا.

امین زاده نظری، نویسنده اول این مقاله، می‌گوید: «آینده‌ای را تصور کنید که در آن، دستگاهی کوچک با کمک نور خورشید نیاز روزانه یک بیمارستان به ضدعفونی‌کننده را تولید کند. این فناوری دقیقاً چنین آینده‌ای را ممکن می‌کند.»

چالش‌ها و افق‌های آینده شیمی خورشیدی

طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، صنایع شیمیایی سالانه بیش از ۹۰۰ میلیون تن دی اکسید کربن منتشر می‌کنند. جایگزین‌ کردن فرآیندهای فسیلی با روش‌های خورشیدی می‌تواند ده‌ها درصد از این انتشار را کاهش دهد.

با وجود همه مزایا، فناوری خورشیدی هنوز باید از سد بزرگ اقتصادی شدن تولید عبور کند؛ چرا که فرآیند آنتراکینون با وجود آسیب‌های زیست‌محیطی، بسیار ارزان است. با این حال، پژوهشگران معتقدند با تولید انبوه مواد COF و توسعه دستگاه‌های کوچک، قیمت تمام‌شده به‌مرور کاهش می‌یابد.

عباسپورراد می‌گوید: «این فقط یک پیشرفت علمی نیست؛ به معنای بازطراحی کل اکوسیستم تولید مواد شیمیایی است.»

محققان کرنل اکنون در حال گسترش مقیاس تولید این مواد و طراحی دستگاه‌های کاربردی هستند. اگر این روند ادامه یابد، ممکن است طی چند سال آینده شاهد ورود اولین ژنراتورهای خورشیدی پراکسید هیدروژن به بازار باشیم؛ دستگاه‌هایی که می‌توانند صنعت تصفیه آب، پزشکی و تولید مواد شیمیایی را وارد مرحله‌ای جدید کنند.