کشف انقلابی دانشمندان: تولید هیدروژن پاک در تاریکی با ذخیره انرژی خورشید

در یک پیشرفت علمی چشمگیر، دانشمندان موفق به ابداع روشی شده‌اند که امکان ذخیره‌سازی انرژی خورشید به صورت الکترون و تبدیل آن به هیدروژن پاک را ساعت‌ها پس از جذب نور فراهم می‌آورد. این دستاورد که بدون نیاز به برق یا نور اضافی صورت می‌گیرد، می‌تواند معادلات ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل انرژی خورشیدی را به طور اساسی دگرگون کرده و رکورد جدیدی را در زمینه «فوتوکاتالیز در تاریکی» به ثبت برساند. این فناوری نویدبخش راهکاری پایدار برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی و کاهش اثرات مخرب تغییرات اقلیمی است.

چالش‌های اقتصادی و فنی هیدروژن

هیدروژن به دلیل تولید تنها آب هنگام سوختن، به عنوان یک سوخت پاک، گزینه ایده‌آلی برای کربن‌زدایی صنایع سنگین، حمل‌ونقل و فولادسازی محسوب می‌شود. با این حال، دو مانع عمده توسعه گسترده آن را کند کرده است:

• نیاز به تابش پیوسته: تولید هیدروژن از نور خورشید وابسته به تابش مداوم است و عواملی مانند ابرها و شب، این فرآیند را متوقف می‌کنند.
• ذخیره‌سازی و انتقال دشوار: ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن گازی نیازمند فشرده‌سازی تا ۷۰۰ برابر فشار جو یا سرمایش تا منفی ۲۵۳ درجه سانتی‌گراد است که هر دو پرهزینه و با مخاطرات ایمنی همراه هستند.

الهام از طبیعت: کشف جدید دانشمندان

طبیعت میلیون‌ها سال پیش با فرآیند فتوسنتز، راهکاری هوشمندانه برای این چالش یافته است؛ گیاهان انرژی خورشید را جذب و در واسطه‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند تا بعداً بدون نور، قند بسازند. دانشمندان سال‌هاست که به دنبال تقلید مصنوعی این فرآیند دومرحله‌ای هستند. بیشتر نمونه‌های آزمایشگاهی «فوتوکاتالیز در تاریکی» تاکنون به ساختارهای مولکولی پیچیده، کاتالیست‌های گران‌قیمت یا ورودی برق خارجی وابسته بوده‌اند.

ترکیباتی به نام پلی‌اکسومتالات‌ها، خوشه‌های مولکولی متشکل از فلز و اکسیژن (اغلب از تنگستن یا مولیبدن)، توانایی ذخیره و آزادسازی برگشت‌پذیر الکترون‌ها را دارند، رفتاری شبیه به یک باتری مولکولی. با این حال، تمامی سامانه‌های پیشین که از پلی‌اکسومتالات‌های تجاری استفاده می‌کردند، برای تولید هیدروژن در تاریکی همچنان به جریان الکتریکی خارجی نیاز داشتند.

پژوهشی جدید که در نشریه معتبر Advanced Materials منتشر شده، این محدودیت را از بین برده است. پژوهشگران دانشگاه لانژو چین، سامانه‌ای معرفی کرده‌اند که می‌تواند انرژی خورشید را به صورت الکترون ذخیره کرده و در تاریکی مطلق، بدون هیچ منبع برق خارجی، هیدروژن تولید کند. این سامانه با استفاده از مواد کاملاً تجاری، بالاترین نرخ تولید هیدروژن را در میان تمام سامانه‌های فوتوکاتالیز تاریک گزارش‌شده تاکنون به ثبت رسانده است.

مواد تشکیل‌دهنده و عملکرد فناوری

این فناوری بر پایه ترکیب دو ماده ساده و هوشمندانه استوار است:

• نیترید کربن گرافیتی: نقش فوتوکاتالیست نیمه‌رسانا را ایفا می‌کند.
• آمونیوم متاتنگستات: یک پلی‌اکسومتالات تنگستنی که به عنوان مخزن ذخیره الکترون‌ها عمل می‌کند.

آزمایش‌ها در محلول آبی حاوی ۱۰ درصد حجمی متانول انجام شده‌اند؛ متانول به عنوان گیرنده حفره عمل کرده و مانع بازترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود. این سامانه برای عملکرد خود به یک قربانی شیمیایی نیاز دارد و آب خالص را تجزیه نمی‌کند.

با تابش نور به نیترید کربن گرافیتی، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌شوند. الکترون‌ها به خوشه‌های پلی‌اکسومتالات منتقل شده و حتی پس از خاموش‌شدن نور نیز در آن‌ها ذخیره می‌مانند. تغییر رنگ محلول از زرد کم‌رنگ به آبی تیره، نشانه‌ای بصری از کاهش حالت اکسایش تنگستن و ذخیره الکترون‌ها است.

دو عامل کلیدی در موفقیت این جفت‌سازی نقش دارند:

1. در شرایط اسیدی، گروه‌های آمینی سطح نیترید کربن گرافیتی پروتون‌دار شده و بار مثبت می‌گیرند، در حالی که پلی‌اکسومتالات‌ها دارای بار منفی هستند. این اختلاف بار، تماس الکترواستاتیکی نزدیک و موثری ایجاد می‌کند.
2. هم‌خوانی مناسب ترازهای انرژی دو ماده، انتقال خودبه‌خودی و کارآمد الکترون‌ها را ممکن می‌سازد.

آزادسازی انرژی ذخیره‌شده نیز فرآیندی ساده دارد. پژوهشگران تنها با افزودن کاتالیست پلاتین روی کربن به محلول تاریک، تولید هیدروژن را آغاز کردند. در این مرحله، پلاتین بستری مناسب فراهم می‌کند تا پروتون‌ها و الکترون‌ها با هم ترکیب شده و گاز هیدروژن بسازند. به این ترتیب، جذب نور، ذخیره انرژی و تولید سوخت، در زمان‌ها و حتی مکان‌های متفاوت انجام می‌شود.

رکوردهای جدید و چشم‌انداز آینده

پس از یک ساعت تابش نور، سامانه توانست در مرحله تاریک ۱۳.۵ میکرومول هیدروژن تولید کند و بیشینه نرخ تولید به ۳۲۲۰ میکرومول بر گرم در ساعت رسید که رکوردی بی‌سابقه در این حوزه است. آزمایش‌های فضای باز نیز نشان دادند که با نور طبیعی خورشید، تولید هیدروژن در تاریکی به ۹۵۴ میکرومول بر گرم در ساعت می‌رسد.

این پژوهش نشان می‌دهد که با مونتاژ ساده الکترواستاتیکی مواد تجاری، می‌توان انرژی خورشیدی را ذخیره و بدون برق، در تاریکی به هیدروژن تبدیل کرد. اگر در آینده پایداری طولانی‌مدت این ذخیره الکترونی تأیید شود، راه برای انتقال انرژی خورشیدی از مناطق آفتابی به مناطق کم‌نور، در قالب مایعی ایمن و کم‌هزینه، هموار خواهد شد.

هیدروژن پاک ممکن است پاسخ همه مسائل انرژی نباشد، اما در کنار دیگر فناوری‌های تجدیدپذیر، می‌تواند نقش مهمی در معماری انرژی آینده جهان ایفا کند. موفقیت در این مسیر به تفکر بلندمدت، سرمایه‌گذاری پایدار و همکاری بین‌المللی نیاز دارد.