ابداع جایگزین سبزتر برای سوخت‌های فسیلی با تولید هیدروژن از آب و نور
محققان دانشکده شیمی دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، نانوسیم‌های سیلیکونی را مهندسی کرده‌اند که می‌توانند با تجزیه آب به اکسیژن و گاز هیدروژن، نور خورشید را به برق تبدیل کنند، که جایگزینی سبزتر برای سوخت‌های فسیلی است.
پنجاه سال پیش، دانشمندان برای اولین بار نشان دادند که آب مایع را می‌توان با استفاده از الکتریسیته تولید شده با روشن کردن یک الکترود نیمه‌هادی، به اکسیژن و گاز هیدروژن تجزیه کرد.
اگرچه هیدروژن تولید شده با استفاده از انرژی خورشیدی، نوعی امیدوارکننده از انرژی پاک است، اما راندمان پایین و هزینه‌های بالا مانع از معرفی نیروگاه‌های هیدروژنی خورشیدی تجاری شده است.
یک تحلیل امکان‌سنجی اقتصادی نشان می‌دهد که استفاده از دوغاب الکترودهای ساخته شده از نانوذرات به جای طراحی سفت و سخت پنل خورشیدی می‌تواند هزینه‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و هیدروژن تولید شده توسط خورشید را با سوخت‌های فسیلی قابل رقابت کند.
با این حال، اکثر کاتالیزورهای فعال شده با نور مبتنی بر ذرات موجود، که به عنوان فوتوکاتالیست نیز شناخته می‌شوند، فقط می‌توانند تابش فرابنفش را جذب کنند و راندمان تبدیل انرژی آنها را تحت تابش خورشید محدود می‌کنند.
جیمز کاهون، دکترا، استاد شیمی در کالج هنر و علوم UNC-چپل هیل، و همکارانش در این بخش، روی سنتز شیمیایی نانومواد نیمه‌هادی با خواص فیزیکی منحصر به فرد کار کرده‌اند که می‌تواند طیف وسیعی از فناوری‌ها، از سلول‌های خورشیدی گرفته تا حافظه حالت جامد را ممکن سازد.
کاهون به عنوان نویسنده مسئول یافته‌های منتشر شده در 9 فوریه در مجله Nature فعالیت می‌کند.
کاهون و تیمش نانوسیم‌های سیلیکونی جدیدی را طراحی کردند که چندین سلول خورشیدی در امتداد محور خود داشته باشند تا بتوانند نیروی مورد نیاز برای تجزیه آب را تولید کنند.
تیلور تیتسوورث، همکار تحقیقاتی پسادکترا در آزمایشگاه کاهون، توضیح داد: “این طراحی در طراحی‌های قبلی راکتور بی‌سابقه است و به سیلیکون اجازه می‌دهد برای اولین بار در یک PSR استفاده شود.”
سیلیکون هم نور مرئی و هم مادون قرمز را جذب می‌کند. از نظر تاریخی، به دلیل این ویژگی و سایر خواص، از جمله فراوانی، سمیت کم و پایداری آن ، انتخاب برتر برای سلول‌های خورشیدی بوده است که به عنوان سلول‌های فتوولتائیک و نیمه‌هادی‌ها نیز شناخته می‌شوند.
با توجه به خواص الکترونیکی آن، تنها راه برای هدایت تجزیه آب به صورت بی‌سیم با ذرات سیلیکون، رمزگذاری چندین سلول فتوولتائیک در هر ذره است.
این امر را می‌توان با تولید ذراتی که حاوی چندین رابط، به نام اتصالات، بین دو شکل مختلف سیلیکون، نیمه‌هادی‌های نوع p و نوع n هستند، محقق کرد.
پیش از این، تحقیقات کاهون بر سنتز از پایین به بالا و مدولاسیون کنترل‌شده فضایی سیلیکون با بور برای نانوسیم‌های نوع p و با فسفر برای نانوسیم‌های نوع n برای ایجاد هندسه‌ها و عملکردهای مطلوب متمرکز بود.
کاهون گفت: “ما از این رویکرد برای ایجاد دسته جدیدی از نانوذرات چند اتصالی شکافنده آب استفاده کردیم.
این نانوذرات مزایای مادی و اقتصادی سیلیکون را با مزایای فوتونی نانوسیم‌هایی که قطری کوچکتر از طول موج نور جذب‌شده دارند، ترکیب می‌کنند.
به دلیل عدم تقارن ذاتی اتصالات سیم، ما توانستیم از یک روش الکتروشیمیایی مبتنی بر نور برای رسوب انتخابی کاتالیزورهای کمکی روی انتهای سیم‌ها استفاده کنیم تا شکافت آب را امکان‌پذیر کنیم.”
لینک مفید:محققان نانوماده جدیدی را برای استخراج سوخت پاک از دریا توسعه می‌دهند
بیشتر بدانید:دانشمندان راهی مؤثر برای تهیه سوخت برای موتورهای هیدروژنی پیدا کردند
بیشتر بخوانید:راه حلی جدید برای حذف مواد شیمیایی مضر از محیط زیست
تاریخ:1404/5/21
مهسانعمتی
