رکوردشکنی در تولید هیدروژن سبز؛ کاتالیست با پایداری ۳۰۰ ساعته
به گزارش صنایع نو، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس ایران با همکاری دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک چین، به موفقیتی چشمگیر در زمینه تولید هیدروژن سبز دست یافته‌اند. آن‌ها موفق به طراحی و ساخت یک کاتالیست پیشرفته برای واکنش تکامل اکسیژن (OER) شده‌اند. این واکنش، یک مرحله کلیدی و حیاتی در فرآیند الکترولیز آب برای تولید هیدروژن سبز محسوب می‌شود.
تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب، به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین راهکارها برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی و کاهش آلاینده‌های کربنی در نظر گرفته می‌شود. با این وجود، یکی از موانع اصلی در توسعه گسترده این فناوری، کارایی پایین و دوام محدود کاتالیست‌هایی است که واکنش کند و پرانرژی تکامل اکسیژن را در آند تسهیل می‌کنند. این مشکل، محققان worldwide را بر آن داشته تا به دنبال طراحی مواد نوین برای بهبود سرعت و پایداری این واکنش باشند.
تیم مشترک ایران و چین، برای غلبه بر این چالش، یک کاتالیست جدید توسعه داده‌اند که هم از کارایی بسیار بالایی برخوردار است و هم پایداری بلندمدت قابل‌توجهی را از خود نشان می‌دهد. روش ساخت این کاتالیست، یک روش احتراقی سریع و ساده است که در آن، نانوساختارهایی از ترکیب نیکل و آهن با سلنیوم بر روی یک بستر پیشرفته به نام «گرافن عمودی» (VG) رشد داده شده و سطح آن به‌طور همزمان با کربن نیتروژن‌دار (g-C۳N۴) اصلاح شده است. این ساختار پیچیده که NC@(NixFe۱-x) Se/VG نام دارد، موفق شده است ترکیبی بی‌نظیر از رسانایی الکتریکی بالا، پایداری شیمیایی استثنایی و قابلیت ایجاد سایت‌های فعال متعدد را در یک ماده جمع کند.
یکی از نوآوری‌های کلیدی در این تحقیق، استفاده از سلنیوم برای حل مشکل رایج «شسته‌شدن گونه‌های فعال» در کاتالیست‌های مبتنی بر نیکل و آهن است. حضور سلنیوم منجر به تشکیل فازهای فعال جدید از طریق یک فرآیند بازسازی سطحی در حین خود واکنش الکتروشیمیایی شد. محاسبات تئوری مبتنی بر نظریه تابع چگالی (DFT) تأیید کرد که در این ترکیب، یک لایه فعال از جنس Ni۰.۷۵Fe۰.۲۵Se/Ni۰.۷۵Fe۰.۲۵OOH به‌صورت درجا تشکیل می‌شود. این لایه نه‌تنها توانایی سیستم در جذب بهینه واسطه‌های واکنش را افزایش می‌دهد، بلکه یک سطح فوق‌العاده پایدار برای ادامه واکنش فراهم می‌کند.
علاوه بر این، گونه‌های سلنواکسید جذب‌شده روی سطح، یک نقش حفاظتی حیاتی ایفا می‌کنند و مانند یک سد از تخریب یا جدا شدن اتم‌های فعال نیکل و آهن جلوگیری می‌نمایند. این مکانیزم حفاظتی، دلیل اصلی پایداری طولانی‌مدت این کاتالیست است.
در تست‌های آزمایشگاهی، این الکترود جدید در چگالی جریان ۲۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع، تنها به ۲۲۰ میلی‌ولت اورپتانسیل نیاز داشت. این عدد از نظر الکتروشیمیایی بسیار کم و نشان‌دهنده بازدهی بسیار بالا است و در مقایسه با بسیاری از کاتالیست‌های مشابه، عملکرد برتر آن را به وضوح نشان می‌دهد. مهم‌تر از آن، پایداری عملکرد این کاتالیست برای بیش از ۳۰۰ ساعت بدون افت محسوس گزارش شده که گواهی بر استحکام بالای ساختار آن است.
ویژگی مهم دیگر این کاتالیست، طراحی ناهمگن و شبکه‌ای نانوساختارهای آن است. این معماری خاص، مسیرهای متعددی را برای انتقال سریع و بی‌مانع الکترون و یون فراهم می‌کند و در نتیجه، مقاومت کلی سیستم در برابر انتقال بار را به حداقل ممکن می‌رساند. این امر باعث می‌شود الکترود جدید نه‌تنها از نظر شیمیایی بادوام باشد، بلکه از دیدگاه الکتروشیمیایی نیز بازدهی انتقال بار بسیار بالایی داشته باشد.
اهمیت این تحقیق فراتر از معرفی یک ماده جدید است. این مطالعه یک رویکرد استراتژیک و نوآورانه برای پایدارسازی گونه‌های فعال در طول واکنش‌های الکتروشیمیایی ارائه می‌دهد. چنین راهبردی می‌تواند الگویی برای توسعه نسل بعدی کاتالیست‌ها بر پایه فلزات مقرون‌به‌صرفه و فراوان باشد و راه را برای طراحی الکترودهای خودپشتیبان و کارآمد در سیستم‌های صنعتی الکترولیز آب هموار کند.
در نتیجه، این دستاورد علمی که حاصل ترکیب هوشمندانه «طراحی ماده» (استفاده از بستر گرافن عمودی) و «مهندسی فرآیند» (بازسازی سطحی کنترل‌شده با سلنیوم) است، به‌طور همزمان دو چالش بزرگ فعالیت کاتالیستی و پایداری را addressed می‌کند. بنابراین، این نانوکاتالیست می‌تواند زمینه‌ساز تحولی بزرگ در توسعه صنعتی الکترولایزرهای پایدار برای تولید مقرون‌به‌صرفه هیدروژن سبز باشد و نقش کلیدی در آینده انرژی‌های پاک و گذار به اقتصاد کم‌کربن ایفا کند.
نظرات کاربران
هنوز نظری ثبت نشده است.