امروزه پیدا کردن روش‌های ارزان برای تهیه‌ی سوخت پاک از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از جالب ترین روش‌ها در این زمینه استفاده از انرژی خورشید برای تفکیک آب به مولکلول‌های هیدروژن و اکسیژن و به کار بردن هیدروژن به عنوان سوخت است.

تفکیک آب

تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن به منظور استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت انجام می‌شود. تصویر بالا فرآیند تفکیک اب را در یک الکترود حساس به نور از جنس (BiVO4) نشان می‌دهد که پژوهشگران دانشگاه شیکاگو و ویسکانسین طی یک کار آزمایشگاهی و محاسباتی مورد بررسی قرار داده‌اند.

اینک دو دانشمند در انستیتوی مهندسی مولکولی دانشگاه شیکاگو و دانشگاه ویسکانسین گام‌ مهمی را در این راه برداشته‌اند. آنها با بهبود بازده فرآیند‌های کلیدی و ارائه‌ی ابزارهای مفهومی جدیدتر، باعث هموارتر شدن مسیر تحقیقات در مورد تفکیک آب با استفاده از نو خورشید شده‌اند.

کیونگ شین چویی (Kyoung-Shin Choi) پروفسور و آزمایشگر شیمی در دانشگاه ویسکانسین است. جیولیا گالی (Giulia Galli) پروفسور سازه‌های الکترونیک و شبیه‌سازی در IME و یک نظریه‌پرداز است. آنها با هم روشی را برای افزایش بازده الکترود مورد استفاده برای تفکیک آب پیدا کرده‌اند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که وقتی الکترودهای به کار گرفته شده فوتون‌های خورشیدی را جذب می‌کنند، در همان حال الکترون‌ها هم با جریان بهتری از یک الکترود به الکترود دیگر می‌روند.

شبیه‌سازی‌های انجام شده نشان می‌داد که در مقیاس اتمی چه اتفاقی باعث وقع این تغییر می‌شود. چویی در این مورد می‌گوید:

مطالات ما، پژوهشگران فعال در این زمینه را برای توسعه‌ی روش‌هایی به منظور بهبود چندین فرایند یاری می‌کند در حالی که در واقع برای همه‌ی این بهبودها فقط از یک روش پردازش استفاده خواهند. کار ما فقط درباره‌ی افزایش بازده نیست بلکه کار ما یک استراتژی جدید را در این زمینه معرفی می‌کند.

الکترون‌های برانگیخته شده

هنگام ساخت الکترودهای گیرنده‌ی نور خورشید، دانشمندان سعی می‌کنند از حداکثر طیف خورشیدی ممکن برای تحریک الکترون‌های یک الکترود و تغییر حالتشان استفاده کنند تا در نتیجه‌ی این برانگیختگی برای واکنش تفکیک آب در دسترس باشند. مشکل اساسی که همواره بوده است این است که الکترون‌ها برای رفتن از یک الکترود به الکترود مقابل باید بتوانند به سادگی یک جریان الکتریکی ایجاد کرده و حرکت کنند. دانشمندان تا به امروز برای افزایش جذب فوتون‌ها و همچنین افزایش حرکت الکترون‌های مورد آزمایش از ترفندهای جداگانه استفاده می‌کردند.

چویی و پژوهشگر مقطع پسادکترا تای وو کیم (Tae Woo Kim) به این نتیجه رسیدند که اگر الکترود نیمه‌رسانا از جنس بیسموت وانادات (bismuth vanadate) تا دمای ۳۵۰ درجه گرم شود و در همین حین گاز نیتروژن روی آن جریان داشته باشد آنگاه تعدادی از ذرات نیتروژن با الکترود ترکیب می‌شوند.

نتیجه‌ی این ترکیب شدن، افزایش قابل ملاحظه‌ی جذب فوتون‌ها و همچنین افزایش سرعت انتقال الکترون‌ها بود. البته در این ازمایش دلیل اصلی تاثیر نیتروژن بر این فرآیند مشخص نشد. بنابراین چویی، از گالی که یک نظریه‌پرداز است کمک گرفت تا با استفاده از شبیه‌سازی‌ دلیل تاثیر نیتروژن بر تسریع فرآیند را پیدا کند.

نقش نیتروژن

گالی و دانشجوی اسبق دکترا یوآن پینگ (Yuan Ping) که اکنون در مقطع پسادکترا در دانشگاه کل‌تک در حال کار است، به این نتیجه رسیدند که نیتروژن به چندین روش روی الکترود تاثیر می‌گذارد. گرم کردن نمونه‌ی آزمایش حین جریان یافتن نیتروژن روی آن باعث استخراج اتم‌های اکسیژن از بیسموت وانادات شده و باعث ایجاد کاستی‌هایی (defects) می‌شود. گروه گالی دریافتند که این کاستی‌ها باعث افزایش سرعت انتقال الکترون‌ها می‌شوند. اما نکته‌ی جالب‌تر این است که آنها فهمیدند که نیتروژن ترکیب شده با الکترود به صورت کاملا مستقل از این کاستی‌ها باعث افزایش سرعت انتقال الکترون‌ها شده است.

در نهایت، نتیجه این شد که نیتروژن حد نصاب انرژی مورد نیاز برای تغییر الکترون‌ها به حالتی که قادر به تفکیک آب باشند را کاهش می‌دهد یعنی می‌توان نتیجه گرفت که الکترودها انرژی خورشیدی بیشتری را می‌توانند استفاده کنند. گالی در این مورد گفت:

اینک ما در مقیاس ماکروسکوپیک هم به سازوکار این اتفاق پی برده‌ایم. بنابراین افراد می‌توانند از این طرح مفهومی در پژوهش‌هایشان برای بهبود کارایی استفاده کنند که مبتنی بر یک عنصر جدید و کاستی‌های جدید در ساختار مواد است. این مفاهیم به حدی عمومی هستند که می‌توانند در مورد جنس‌های دیگری از الکترود هم به کار برده شوند.

چیزی که به عنوان یک اصل آن را در عرصه‌ی علم پذیرفته‌ایم این است که آزمایشگرها و نظریه‌پردازها به همدیگر نیاز دارند. اما در عمل خیلی مرسوم نیست که همانند گروه‌های گالی و چویی از مراحل اولیه‌ی کار همکاری داشته باشند. این دو دانشمند از طریق یک سازمان زیر مجموعه‌ی بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) موسوم به مرکز نوآوری‌های شیمیایی که توسط پروفسور هری ب. گری (Harry b,Gray) از دانشگاه کل‌تک اداره می‌شود، آشنا شدند. این مرکز در زمینه‌ی پرورش همکاری‌های دانشمندان در راه ساختن دستگاه‌های تفکیک آب فعالیت می‌کند. گالی در این مورد می‌گوید:

ما از رشته‌های کاملا مختلفی آمده‌ایم اما در این پروژه بر روی اهداف و راه‌حل‌های مشترکی تمزکز داشتیم. ما چیزهای زیادی از همدگیر یاد گرفتیم و این همکاری بسیار شگفت‌انگیز بود.

چویی در مورد این همکاری می‌گوید:

وقتی تئوری و تجربه کنار هم قرار می‌گیرند، عملکردها بهبود پیدا می‌کنند و حتی با هم می‌توانند سازوکارهای پیچیده در مقیاس اتمی را هم بررسی کرده و دلایل آن را کشف کنند. این نتیجه بسیار ایده‌آل است.

منبع: زومیت