راه‌حل دانشمندان برای تولید ارزان‌قیمت هیدروژن: بهینه‌سازی کاتالیست‌ها در مقیاس اتمی
به گزارش صنایع نو، (نانونِرك اسپاتلایت) تولید هیدروژن پاک از آب با استفاده از برق به اندازه کافی ساده به نظر می‌رسد: جریان الکتریسیته را از آب عبور دهید، هیدروژن را در یک انتها و اکسیژن را در انتهای دیگر جمع‌آوری کنید. هیچ انتشار کربنی، هیچ سوخت فسیلی و هیچ آلودگی. در اصل، شیمی پایه الکترولیز برای بیش از یک قرن است که شناخته شده است. در عمل، این فرآیند همچنان پرهزینه، ناکارآمد و وابسته به فلزاتی است که کمیاب، گران‌قیمت و به راحتی جایگزین‌پذیر نیستند.
مشکل در کاتالیست‌ها نهفته است؛ موادی که با تسریع و کاهش انرژی مورد نیاز، واکنش‌های شیمیایی را ممکن می‌سازند. مؤثرترین کاتالیست‌ها برای الکترولیز آب حاوی عناصری مانند پلاتین و ایریدیم هستند. این فلزات دارای خواص الکترونی مناسب برای شکستن مولکول‌های آب و هدایت واکنش‌های حاصل در مسیر درست هستند. اما آنها از جمله کمیاب‌ترین عناصر در پوسته زمین هستند. عرضه آنها محدود است، استخراج آنها پرهزینه است و این هزینه‌ها سهم بزرگی از قیمت کل یک سیستم تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهند.
حتی زمانی که از این فلزات استفاده می‌شود، بیشتر اتم‌ها هرگز با واکنش‌گرها تماس پیدا نمی‌کنند. در طراحی‌های سنتی کاتالیست، ذرات فلزی در خوشه‌های کوچک تجمع می‌یابند و تنها اتم‌های روی سطح خارجی قادر به مشارکت در واکنش هستند. بقیه اتم‌ها در داخل ساختار بدون استفاده می مانند و تنها به هزینه بدون عملکرد کمک می‌کنند. با گذشت زمان، این خوشه‌ها تمایل به ادغام پیدا کرده، سطح خود را از دست داده و اثرگذاری کمتری پیدا می‌کنند.
این امر محققان را به طرح یک سؤال ساده اما گسترده واداشته است: چه می‌شد اگر هر اتم منفرد در یک کاتالیست قابل استفاده می‌بود؟ این ایده منجر به ظهور **کاتالیست‌های تک‌اتمی** شده است؛ موادی که اتم‌های فلزی را به صورت تک‌تک روی یک سطح پخش می‌کنند، به طوری که هر یک به عنوان یک سایت واکنش مستقل عمل می‌کند. این رویکرد استفاده بهینه‌تری از مواد گران‌قیمت می‌برد و راه را برای تنظیم دقیق رفتار کاتالیست باز می‌کند. اما همچنین مشکل جدیدی را معرفی می‌کند: اتم‌های منفرد ناپایدار هستند. آنها ثابت نمی‌مانند. آنها حرکت می‌کنند، ترکیب می‌شوند یا از سطح جدا می‌شوند مگر اینکه با دقت در جای خود تثبیت شوند.
این نقش تثبیت‌کنندگی توسط یک ماده **پایه** (سابستریت) ایفا می‌شود و مشخص شده که ماهیت این پایه به اندازه خود فلز اهمیت دارد. توجهات اخیر به سمت مواد **اتمی-نازک** معطوف شده است؛ موادی با ضخامت تنها یک یا دو اتم که خواص آنها را برای میزبانی و تثبیت اتم‌های منفرد ایده‌آل می‌کند. این پایه‌های فوق نازک نه تنها اتم‌ها را در جای خود نگه می‌دارند، بلکه با تغییر نحوه جریان الکترون‌ها вокруг آنها، بر واکنش‌پذیری آنها نیز تأثیر می‌گذارند. مواد جدیدی مانند گرافن، MXenes و دیکالکوژنیدهای فلزات انتقالی، پلتفرمی بسیار قابل تنظیم برای ساخت کاتالیست‌ها با دقت بی‌سابقه ارائه می‌دهند.
یک مقاله مروری اخیر که در Advanced Powder Materials منتشر شده است ("کاتالیست‌های تک‌اتمی پایه‌گذاری شده بر مواد اتمی-نازک برای شکافت آب")، به بررسی این همگرایی بین مهندسی در مقیاس اتمی و شیمی انرژی پاک می‌پردازد. این مقاله بررسی می‌کند که چگونه اتم‌های منفرد با پایه‌های اتمی-نازک برهمکنش می‌کنند، این سیستم‌ها چگونه ساخته و مطالعه می‌شوند و چگونه در شکستن آب به هیدروژن و اکسیژن عمل می‌کنند.
**شرح شماتیک از راهبردهای سنتز، تکنیک‌های مشخصه‌یابی و بینش‌های مکانیسمی الکترولیز آب مبتنی بر کاتالیست‌های تک‌اتمی پایه‌گذاری شده بر مواد اتمی-نازک (SACs@ATMs).**
نویسندگان استدلال می‌کنند که ترکیب اتم‌های کاتالیستی مجزا با مواد پایه فوق نازک، راهی امیدوارکننده به سوی تولید هیدروژن کارآمدتر، بادوام‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر ارائه می‌دهد.
در قلب این رویکرد، **برهمکنش بین اتم فلزی منفرد و سطحی** که آن را نگه می‌دارد، قرار دارد. این برهمکنش تعیین می‌کند که اتم چقدر محکم به پایه متصل شده، چگونه به مولکول‌های ورودی پاسخ می‌دهد و الکترون‌ها در طول واکنش چگونه حرکت می‌کنند. پایه‌هایی با ویژگی‌های سطحی خاص مانند نقص‌ها، جاهای خالی (واسانسی‌ها) یا اتم‌های افزوده شده را می‌توان برای تشکیل پیوندهای پایدار با اتم‌های فلزی طراحی کرد و در عین حال رفتار الکترونیکی آنها را نیز شکل داد. این تغییرات به دانشمندان اجازه می‌دهد تا کنترل کنند که تشکیل هیدروژن یا اکسیژن در طول الکترولیز چقدر آسان است و برای شروع واکنش چقدر انرژی مورد نیاز است.
در بسیاری از موارد، پایه بیش از اینکه فقط اتم را در جای خود نگه دارد، به طور فعال بر واکنش تأثیر می‌گذارد. برای مثال، با ایجاد جاهای خالی تیتانیوم روی سطح ماده لایه‌ای معروف به MXene، محققان توانستند اتم‌های نیکل را در موقعیت‌های خاصی تثبیت کنند که تولید هیدروژن را افزایش می‌داد. اتم‌های نیکل با اتم‌های کربن اطراف پیوند تشکیل دادند و بازدهی مراحل کلیدی واکنش را بهبود بخشیدند. مطالعه دیگری از یک ساختار لایه‌ای ساخته شده از مولیبدن و تیتانیوم برای محصور کردن اتم‌های پلاتین بین لایه‌ها استفاده کرد و آنها را در یک آرایش اتمی خاص نگه داشت که پایداری آنها را در شرایط عملیاتی بهبود بخشید.
برای بهره‌برداری از این اثرات، محققان چندین روش برای تولید کاتالیست‌های تک‌اتمی روی پایه‌های اتمی-نازک توسعه داده‌اند. هر روش شامل مصالحه‌ای بین دقت، هزینه و قابلیت مقیاس‌پذیری است.
یک تکنیک رایج، **آشباع سازی تر (Wet Impregnation)** است که در آن یک محلول حاوی یون‌های فلزی روی ماده پایه اعمال می‌شود و اجازه می‌دهد اتم‌ها به سایت‌های سطحی متصل شوند. حرارت دادن سپس آنها را در جای خود قفل می‌کند. این روش سرراست و قابل مقیاس است اما اغلب منجر به توزیع ناهموار و بارگذاری فلزی کم می‌شود. نسخه‌های پیشرفته‌تر از مراحل حرارتی کنترل شده یا اتمسفرهای خاص برای بهبود قرارگیری اتم و دستیابی به بارگذاری بالاتر استفاده می‌کنند.
**رسوب‌گیری بخار شیمیایی (Chemical Vapor Deposition - CVD)** دقت بیشتری را با رساندن اتم‌های فلزی به صورت گاز به سطح ارائه می‌دهد. این رویکرد می‌تواند ساختار اتمی کاتالیست را به دقت تنظیم کرده و سیستم‌های بسیار یکنواخت ایجاد کند. در برخی موارد، از انرژی پلاسما برای ایجاد نقص در پایه استفاده می‌شود که به به دام انداختن اتم‌های فلزی در جای خود کمک می‌کند. با این حال، CVD به تجهیزات پیچیده نیاز دارد و مقیاس‌پذیری آن پرهزینه است.
**آسیاب‌کاری مکانیکی (Mechanical Ball Milling)** روش ساده‌تری است. این روش از نیروی فیزیکی برای جاسازی اتم‌های فلزی در سطح پایه استفاده می‌کند. در حالی که این روش سازگار با محیط زیست و کم‌هزینه است، اما می‌تواند به ساختار مواد ظریف آسیب بزند و اغلب کنترل کمتری بر قرارگیری اتم دارد.
**روش‌های فوتوشیمیایی** از نور فرابنفش برای فعال کردن پایه و کاهش یون‌های فلزی روی سطح آن استفاده می‌کنند. این رویکردها برای ایجاد محیط‌های اتمی کاملاً تعریف شده مفید هستند اما معمولاً به دلیل پیچیدگی و توان خروجی کم، به settings آزمایشگاهی محدود می‌شوند.
عملکرد این سیستم‌ها نه تنها به نحوه تثبیت اتم‌ها، بلکه به نحوه تنظیم ساختار الکترونیکی آنها نیز بستگی دارد. برهمکنش بین پایه و اتم فلزی می‌تواند بار اتم را تغییر دهد، نحوه اتصال آن به مولکول‌های میانی را تغییر دهد و بر انرژی مورد نیاز برای تکمیل هر مرحله از واکنش تأثیر بگذارد. در الکترولیز آب، این نوع تنظیم می‌تواند تلفات انرژی را که سیستم‌های فعلی را ناکارآمد می‌کند، کاهش دهد.
برخی مثال‌ها نشان می‌دهند که این ترکیبات چقدر می‌توانند تفاوت ایجاد کنند. یک کاتالیست مبتنی بر پلاتین که بر روی یک MXene مولیبدن-تیتانیوم تثبیت شده بود، به **پتانسیل اضافه (Overpotential)** بسیار پایینی در حدود ۳۰ میلی‌ولت در چگالی جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع دست یافت که یک معیار کلیدی برای واکنش تکامل هیدروژن است. سیستم دیگری که از ورق‌های چروکیده MXene با خوشه‌های پلاتین استفاده می‌کرد، به **فعالیت جرمی (Mass Activity)** ۱۸۴۷ میلی‌آمپر بر میلی‌گرم پلاتین دست یافت و مقدار فلز گران‌بهای مورد نیاز را بدون قربانی کردن عملکرد کاهش داد.
برای واکنش تکامل اکسیژن، یک کاتالیست تک‌اتمی مبتنی بر کبالت روی پایه گرافن، به بارگذاری بالای بیش از ۱۰ درصد وزنی دست یافت و فعالیت و پایداری قوی‌ای ارائه داد. یک کاتالیست مبتنی بر روتنیم که بر روی یک هیدروکسید لایه‌ای پایه‌گذاری شده بود، حتی پس از بیش از هزار ساعت کار، عملکرد پایدار خود را در چگالی‌های جریان بسیار بالا حفظ کرد.
این نتایج بر اهمیت محوری **برهمکنش فلز-پایه** تأکید می‌کنند. این فقط مربوط به قرار دادن اتم‌ها روی یک سطح نیست، بلکه مربوط به شکل دادن محیط شیمیایی آنها به روش‌هایی است که عملکرد را بهینه می‌کند. انتقال الکترون بین اتم و پایه می‌تواند نحوه اتصال کاتالیست به آب، هیدروژن یا اکسیژن را تنظیم کند. اتم‌های مجاور در پایه نیز می‌توانند مستقیماً در واکنش مشارکت کنند و به تثبیت مولکول‌های میانی یا تسهیل حرکت پروتون‌ها و الکترون‌ها کمک کنند.
در آینده، محققان شروع به کاوش در پیکربندی‌های پیچیده‌تر کرده‌اند. برخی در حال طراحی کاتالیست‌هایی با دو اتم فلزی مختلف هستند که در کنار هم قرار گرفته‌اند. این سیستم‌های دو اتمی می‌توانند بخش‌های مختلف واکنش را کارآمدتر از یک اتم منفرد به تنهایی مدیریت کنند. برخی دیگر در حال ترکیب اتم‌های منفرد با خوشه‌های فلزی کوچک هستند تا هم از بازدهی بالای سایت‌های اتمی و هم از استحکام ساختارهای بزرگتر بهره ببرند.
ابزارهای جدید نیز به هدایت فرآیند طراحی کمک می‌کنند. تکنیک‌هایی مانند **طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس (X-ray Absorption Spectroscopy)** و **میکروسکوپ الکترونی با وضوح بالا (High-Resolution Electron Microscopy)** می‌توانند نشان دهند که اتم‌ها چگونه آرایش یافته‌اند و در طول واکنش چگونه رفتار می‌کنند. meanwhile, مدلسازی کامپیوتری و یادگیری ماشین برای پیش‌بینی اینکه کدام ترکیبات فلزات و پایه‌ها بهترین عملکرد را ارائه خواهند داد، قبل از ساخته شدن در آزمایشگاه، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مرور Chen و همکارانش تصویر واضحی از چگونگی توسعه این زمینه ارائه می‌دهد. این نشان می‌دهد که کلید بهبود الکترولیز آب، فقط یافتن مواد بهتر نیست، بلکه یادگیری چگونگی کنترل ماده در سطح اتمی است. با ترکیب اتم‌های کاتالیستی مجزا با پایه‌های فوق نازک و مهندسی شده با دقت، محققان در حال ساخت سیستم‌هایی هستند که از منابع کمتری استفاده می‌کنند، هیدروژن بیشتری تولید می‌کنند و در شرایط سخت پایدار می‌مانند.
همانطور که نیاز به انرژی پاک رشد می‌کند، این پیشرفت‌ها در طراحی کاتالیست ممکن است به تبدیل هیدروژن به یک سوخت کاربردی‌تر و در دسترس‌تر کمک کند. چالش حال حاضر، حرکت از موفقیت آزمایشگاهی به کاربرد صنعتی است. این نه تنها به مواد جدید، بلکه به روش‌های جدید برای تولید آنها در مقیاس نیاز خواهد داشت. با این حال، اصول اکنون به خوبی درک شده است. با طراحی دقیق و نوآوری مستمر، کاتالیست‌های تک‌اتمی روی پایه‌های اتمی-نازک می‌توانند نقش محوری در نسل بعدی فناوری‌های انرژی ایفا کنند.
نظرات کاربران
هنوز نظری ثبت نشده است.