کشف روشی نوین برای ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن در تاریکی

تیمی از محققان به دستاوردی چشمگیر در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر دست یافته‌اند که می‌تواند چالش‌های ذخیره‌سازی و انتقال انرژی خورشیدی را متحول کند. آن‌ها روشی ابداع کرده‌اند که نور خورشید را در یک مایع با استفاده از مواد شیمیایی ساده ذخیره کرده و سپس در تاریکی کامل آن را به گاز هیدروژن تبدیل می‌کند؛ فرآیندی که بدون نیاز به سیم، باتری یا شبکه‌های برق انجام می‌شود.

چالش‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی

نور خورشید منبعی فراوان است، اما استفاده از آن در هر زمان و مکان به دلیل هزینه‌های بالا و ناکارآمدی در ذخیره و انتقال، همواره یک چالش بزرگ بوده است. تحقیقات پیشین نتوانسته بودند سیستمی را با استفاده از مواد تجاری و ساده برای ذخیره انرژی خورشیدی و آزادسازی آن به صورت هیدروژن بدون نیاز به برق خارجی ارائه دهند. اکنون، به نظر می‌رسد این مانع برطرف شده است.

فرآیند تبدیل نور خورشید به الکترون‌های ذخیره‌شده

این تیم تحقیقاتی سیستم خود را از دو ماده ارزان‌قیمت و در دسترس ساخته‌اند:

• نیترید کربن گرافیتی: پودری زرد رنگ که نور مرئی را جذب کرده و به عنوان فوتوکاتالیست عمل می‌کند.
• متاتنگستات آمونیوم: خوشه‌ای از اتم‌های تنگستن و اکسیژن که می‌تواند چندین الکترون را مانند یک باتری کوچک قابل شارژ بپذیرد و نگه دارد.

این فرآیند در محلولی آبی حاوی مقدار کمی متانول انجام می‌شود. متانول نقش حیاتی در جذب بارهای مثبت تولید شده هنگام برخورد نور به نیترید کربن دارد. این عمل از ترکیب سریع و ناپدید شدن الکترون‌ها جلوگیری کرده و امکان ذخیره‌سازی آن‌ها را فراهم می‌آورد. به همین دلیل، سیستم به متانول به عنوان یک کمک‌کننده فداکار نیاز دارد و آب خالص را تجزیه نمی‌کند.

هنگامی که نیترید کربن با نور آبی روشن می‌شود، جفت الکترون و حفره تولید می‌کند و الکترون‌ها به سرعت به خوشه‌های تنگستن مجاور منتقل می‌شوند. با تجمع الکترون‌ها، رنگ محلول از زرد کم‌رنگ به آبی پررنگ تغییر می‌کند که نشان‌دهنده کاهش اتم‌های تنگستن از حالت بار ۶+ به ۵+ و ذخیره شدن شیمیایی انرژی خورشید است.

دلایل کارایی بالای انتقال الکترون

این انتقال الکترون به دو دلیل اصلی به خوبی انجام می‌شود:

1. جاذبه بارهای مخالف: در شرایط اسیدی، سطح نیترید کربن بار مثبت و خوشه‌های تنگستن بار منفی دارند. این بارهای مخالف یکدیگر را جذب کرده و دو ماده را به هم نزدیک می‌کنند که امکان حرکت مؤثر الکترون‌ها را فراهم می‌آورد.
2. هم‌ترازی سطح انرژی: سطوح انرژی این دو ماده به خوبی با یکدیگر مطابقت دارند، بنابراین الکترون‌ها می‌توانند به طور طبیعی و بدون نیاز به فشار خارجی جریان یابند. این ترکیب تنگستن در میان چندین ماده مشابه آزمایش شده، بهترین هم‌ترازی و عملکرد را نشان داد.

آزمایش ذخیره انرژی و تولید هیدروژن در تاریکی

انرژی ذخیره شده در محلول حتی پس از خاموش شدن نور نیز از بین نمی‌رود. محققان برای آزاد کردن این انرژی، به سادگی یک کاتالیزور پلاتین روی کربن را به محلول تیره اضافه می‌کنند. پلاتین نقاطی را فراهم می‌کند که الکترون‌های ذخیره شده می‌توانند با پروتون‌های آب ترکیب شده و گاز هیدروژن تشکیل دهند.

این فرآیند امکان تقسیم جذب نور خورشید، ذخیره انرژی و تولید هیدروژن به مراحل مختلف را فراهم می‌آورد که می‌توانند در زمان‌های متفاوت انجام شوند. پس از یک ساعت قرار گرفتن در معرض نور، سیستم ۱۳.۵ میکرومول هیدروژن در تاریکی تولید کرد. نرخ اوج تولید هیدروژن به ۳۲۲۰ میکرومول در هر گرم در ساعت رسید که بالاترین میزان گزارش شده برای یک سیستم فوتوکاتالیستی تاریک تا به امروز است. آزمایش‌های فضای باز با نور خورشید واقعی نیز موفقیت‌آمیز بودند و ۹۵۴ میکرومول در هر گرم در ساعت در تاریکی تولید کردند، همگی بدون هیچ گونه ورودی الکتریکی.

تأیید مکانیسم عملکرد

اندازه‌گیری‌های پیشرفته، نحوه عملکرد سیستم را تأیید کردند:

• مطالعات انتشار نور نشان داد که الکترون‌ها به دلیل وجود محلی برای رفتن، بیشتر زنده می‌مانند.
• طیف‌سنجی نشان داد که اتم‌های تنگستن الکترون‌ها را زیر نور جذب می‌کنند.
• اندازه‌گیری‌های مغناطیسی گونه‌های کاهش یافته تنگستن را تنها زمانی که روشنایی رخ می‌داد، شناسایی کردند.

این نتایج در کنار هم تأیید می‌کنند که انرژی خورشیدی واقعاً ذخیره شده و بعداً در صورت نیاز آزاد می‌شود. نویسندگان این مطالعه تأکید کردند که این سیستم کارایی قابل توجهی در ذخیره انرژی خورشیدی به صورت الکترون نشان می‌دهد.

آینده این فناوری و چالش‌های پیش رو

این تحقیق نشان می‌دهد که انرژی خورشیدی را می‌توان بدون نیاز به مخازن فشار بالا، سرمای شدید یا برق، به صورت مایع جذب، ذخیره، منتقل و بعداً به هیدروژن تبدیل کرد. اگر آزمایش‌های آینده پایداری الکترون‌های ذخیره شده را برای هفته‌ها (به جای ساعت‌ها) اثبات کنند، این رویکرد می‌تواند انرژی خورشیدی برداشت شده در مناطق غنی از خورشید را به نقاط تاریک‌تر جهان منتقل کرده و دقیقاً در زمان نیاز به سوخت تبدیل کند.

با این حال، روش کنونی محدودیت‌هایی نیز دارد. این سیستم به جای آب خالص به متانول متکی است و ذخیره‌سازی طولانی‌مدت فراتر از مقیاس‌های زمانی آزمایشگاهی هنوز اثبات نشده است. امید است تحقیقات آینده این محدودیت‌ها را برطرف کرده و در نهایت انتقال انرژی خورشیدی را از یک مفهوم امیدوارکننده به یک فناوری عملی در دنیای واقعی تبدیل کند.

این مطالعه مهم در مجله معتبر Advanced Materials منتشر شده است.