تحول آفرینی صنعت انرژی

ایجاد روشی جدید و موثر در تولید سوخت هیدروژنی از پسماند آلی

صاحب امتیاز:دانشگاه علوم توکیو

دانشمندان روشی نوین و موثر در تولید هیدروژن از سیستم پسماند آلی با استفاده از کاتالیزگری مشتق شده از بین تمام فلزات اکسید شده شناسایی کرده اند.طبق گزارشات این روزها درباره تغییرات آب و هوایی، آلودگی هوا و کاهش منابع تنها یک سوخت میتواند تحول آفرین باشد: هیدروژن. زمانی که هیدروژن در موتورهای احتراقی یک نیروگاه برق سوزانده می شود، این سوخت تنها آب تولید می کند که همین امر باعث می شود که سوخت هیدروژنی بسیار تمیزتر از سوخت های فسیلی در حال حاضر باشد. با تولید نکردن هیچ گونه گاز سمی، و نداشتن هیچ سهمی در تغییرات آب و هوایی و همچنین نداشتن هیچ گونه از آلاینده های هوا،  هیدروژن می تواند راه حلی برای آینده ای از انرژی پاکتر باشد. با این حال چرا به صورت گسترده از این انرژی استفاده نمی شود؟

دو دلیل برای این سوال وجود دارد:

نخست اینکه هیدروژن شدیدا قابل اشتعال بوده و به راحتی از مخازن ذخیره چکه می کند که همین امر خطرات احتمالی انفجار در هنگام نگهداری و حمل و نقل را ایجاد می کند. دوم آنکه اگر چه هیدروژن خالص به صورت طبیعی بر روی زمین وجود دارد، برای مصرف مقرون به صرفه به اندازه کافی یافت نمی شود. اتم های هیدروژن از مولکول هایی مانند متان و  آب باید استخراج شوند که این خود نیازمند صرف مقدار زیادی انرژی می باشد. با وجود اینکه چندین روش برای تولید سوخت هیدروژنی وجود دارد، دانشمندان هنوز هم در حال بهینه کردن این سوخت به انداره کافی هستند که هیدروژن به سوختی رقابتی تجاری در بازار انرژی تبدیل شود. تا زمان دستیابی به این هدف، احتمالا سوخت های فسیلی این صنعت را  در اختیار خواهند داشت. برای چندین دهه دانشمندان جهت دستیابی به روشی ارزان، مقرون به صرفه و ایمن برای تولید سوخت هیدروژنی گام برداشتند. یکی از امیدوار کننده ترین روش ها برای دستیابی به این هدف استفاده از انرژی خورشیدی برای سرعت بخشیدن (یا کاتالیز کردن) فعل و انفعالات تجزیه مولکول های آب به گاز های هیدروژن و اکسیژن است. در دهه سال ۱۹۷۰،  دو دانشمند اثر فوجی شیما-هوندا که از تیتانیوم دی اکسید به عنوان کاتالیزور نوری در تولید هیدروژن استفاده می شود را ارائه دادند. بر اساس این تحقیق، گروهی از محققان ژاپنی به سرپرستی پروفسور کن-ایچی کاتسوماتا در دانشگاه علوم توکیو به دنبال استفاده از کاتالیزوری نیمه هادی که به صورت آسان تر قابل استفاده باشد، برای این فعل و انفعالات بودند که به امید افزایش کارایی و حتی کاهش هزینه های تولید و ایمن سوخت هیدروژنی در زمینه شیمی منتشر شد.یک نشریه اروپایی نشان داد که با استفاده از گونه ای از فلزات اکسید زنگ زده به نام α-FeOOH تولید هیدروژن در زیر لامپ های پرتو افکن Hg-Xe بیست و پنج بار بیشتر از کاتالیزور تیتانیوم دی اکسید در زیر نور مشابه است.آزمایش انجام شده توسط پروفسور کاتسوماتا و همکارانش با هدف برطرف کردن چالش های متداول که در مواجهه با استفاده از کاتالیزورهای نیمه هادی از تولید هیدروژن که با انرژی خورشیدی ایجاد می شوند، انجام گرفت.

سه نوع اساسی توسط مولفان شرح داده شده است. نخستین آنها لزوم ماده کاتالیست مناسب برای استفاده از انرژِی نور است.دومین مانع این است که کاتالیزورهای نوری که در حال حاضر استفاده می شوند مواد نایاب یا “قیمتی” را به عنوان کمک کاتالیزور نیاز دارند که فراهم آوردن آنها مشکل و پر هزینه است. مشکل آخر از تولید واقعی گازهای هیدروژن و اکسیژن ناشی می شود.اگر این گازها فورا تفکیک نشوند، ترکیبشان در بهترین حالت خروجی سوخت هیدروژن را کاهش داده و در بدترین حالت می توانند باعث انفجار شوند. بنابراین آنها در پی یافتن راه حلی بودند که نه تنها کارایی واکنش را افزایش می دهد بلکه از جفت شدگی دوباره اکسیژن و هیدروژن و خطر بالقوه آن جلوگیری می کند.اعضای این تیم کاتالیزوری با احتمال موفقیت زیاد را در α-FeOOH شناسایی کردند و آزمایشی را برای ارزیابی کارایی آن برای تولید هیدروژن و شرایط آزمایشی بهینه برای فعال سازی آن شروع کردند.پروفسور کاتسوماتا اظهار کرد “ما در تولید هیدروژن با استفاده از این کاتالیزور واقعا شگفت زده شدیم. به دلیل اینکه بسیاری از اکسیدهای آهن برای کاهش هیدروژن شناخته شده نیستند. در نتیجه به دنبال شرایطی برای فعال سازی α-FeOOH گشتیم و دریافتیم که اکسیژن عاملی جدایی ناپذیر برای این کار است و همین امر برای بار دوم ما را شگفت زده کرد. چرا که مطالعات بسیاری نشان داده بود که اکسیژن، هیدروژن تولید شده ای که به وسیله الکترون های برانگیخته به دست آمده است را مهار می کند.”

این گروه ثابت کرد که در فرآیند تولید هیدروژن از متانول محلول در آب که از طیف سنجی جرمی کروماتوگرافی گازی، α-FeOOH بیست و پنج بار فعال تر از کاتالیزورهای دی اکسید تیتانیوم استفاده شده در تحقیقات قبلی است که تولید هیدروژن پایدار را برای بیش از چهارصد ساعت پشتیبانی می کند.تحقیقات بیشتر برای بهینه سازی این فرایند نیاز است. پروفسور کاتسوماتا تشریح کرد که:”این عملکرد ویژه اکسیژن در فعال سازی α-FeOOH ناشی از نور هنوز آشکار نشده است. بنابراین بررسی این فرآیند چالش بعدی می باشد.” در حال حاضر این یافته های کاتسوماتا و همکاران پیشرفتی جدید در تولید منبع انرژی بدون آلایندگی و تمیز را ارائه کرد که برای جامعه ای با ثبات در آینده حائز اهمیت است.

منابع: “سیستم تولید هیدروژن به وسیله α-FeOOH نوری جفت شده با کاهش نور”  توسط تتسویا یامادا، نوریهیرو سوزوکی، کازویا ناکاتا، چیاکی تراشیما، نوبوهیرو ماتسوشیتا، کیوشی اوکادا، آکیرا فوجیشیما و دکتر کنیچی کاتسوماتا، ۸ نوامبر ۲۰۱۹، شیمی نشریه اروپایی این تحقیق در نوامبر ۲۰۱۹ پیش از انتشار نهایی در شماره ۲۱ فوریه ۲۰۲۰ به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفت.

 

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *