تبدیل نور خورشید به هیدروژن با کمک نانوساختار‌های مهندسی‌شده ایرانی

به گزارش خبرگزاری صداوسیما، مرکزاصفهان؛ بنابراعلام ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این سامانه با بهره‌گیری از نانوساختار «اپال معکوس» در دی‌اکسید تیتانیوم و ماده پروسکایتی CsPbBr ۳، توانسته هم بازده جذب نور را افزایش دهد و هم پایداری دستگاه را در محیط آبی بهبود بخشد.

این دستاورد می‌تواند یکی از چالش‌های اصلی تولید هیدروژن خورشیدی، یعنی افت عملکرد و ناپایداری مواد فعال، را کاهش دهد.

در این طرح همچنین از یک لایه کربنی رسانا شامل کربن بلک، گرافیت و تونر بازیافتی استفاده شده است. ثبت چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع بدون استفاده از هم‌کاتالیست، نشان می‌دهد این فناوری ظرفیت ورود به نسل آینده سامانه‌های تولید سوخت سبز را دارد.

پژوهشگران دانشگاه اصفهان با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و یک شرکت مستقر در مرکز رشد دانشکده فنی‌وحرفه‌ای شمس‌پور، سامانه‌ای نوآورانه برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب طراحی کرده‌اند که می‌تواند گامی مؤثر در مسیر تولید هیدروژن خورشیدی باشد.

در این روش، نور خورشید برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. قلب این سامانه، فوتوآند یا الکترود نوری است؛ قطعه‌ای که نور را جذب کرده و بار‌های الکتریکی لازم برای انجام واکنش را فراهم می‌کند. هرچه این بخش کارآمدتر و پایدارتر باشد، امکان تولید هیدروژن با بازده بالاتر فراهم می‌شود.

پژوهشگران در این طرح از ترکیب نوعی پروسکایت هالیدی غیر آلی، استفاده کرده‌اند. این ماده به دلیل قیمت نسبتاً پایین، قابلیت ساخت در دمای محیط، امکان تنظیم گاف انرژی و توان مناسب در انتقال حامل‌های بار، در سال‌های اخیر توجه زیادی را جلب کرده است. با این حال، فیلم‌های نازک این ماده در جذب کامل نور، به‌ویژه در مرز طول موج‌های جذب، محدودیت دارند و در محیط‌های آبی نیز دوام آنها چالش‌برانگیز است.

نقطه اصلی نوآوری این پژوهش در بخش نانویی آن نهفته است؛ جایی که دانشمندان از لایه نانوساختار دی‌اکسید تیتانیوم با معماری اپال معکوس استفاده کرده‌اند. این ویژگی سبب می‌شود فوتون‌های بیشتری جذب شوند و بازده تبدیل انرژی افزایش یابد.

به بیان ساده، این ساختار نانویی مانند تالاری پر از آینه برای نور عمل می‌کند؛ نور بار‌ها درون ساختار بازتاب می‌شود و فرصت بیشتری برای جذب توسط لایه پروسکایتی پیدا می‌کند. همین مسئله یکی از دلایل اصلی افزایش عملکرد سامانه بوده است.

ساختار نانویی طراحی‌شده در این طرح مسیر حرکت الکترون‌ها را کوتاه‌تر کرده و بازترکیب بار‌ها را کاهش می‌دهد. نتیجه این فرایند، افزایش راندمان جداسازی بار و تولید جریان نوری بیشتر است.

پژوهشگران برای رفع مشکل ناپایداری پروسکایت در تماس با الکترولیت آبی، راهکار دیگری نیز ارائه کرده‌اند. آنها یک لایه محافظ و رسانا از جوهر کربنی شامل کربن بلک، گرافیت و تونر کربنی بازیافتی را روی سطح پروسکایت قرار دادند. این لایه هم به حفاظت از ماده فعال کمک می‌کند و هم انتقال بار از الکترود به محلول را بهبود می‌بخشد. استفاده از مواد بازیافتی در این بخش نیز می‌تواند هزینه نهایی فناوری را کاهش دهد؛ اتفاقی نادر در جهانی که معمولاً فناوری‌های سبز را گران می‌سازند و بعد از مردم انتظار تشویق دارند.

 این نانوساختار نه‌تنها نور بیشتری جذب می‌کند، بلکه از همان نور نیز هوشمندانه‌تر استفاده می‌کند.

این پژوهش نشان می‌دهد ترکیب مواد نوظهور پروسکایتی با مهندسی نانوساختار‌ها می‌تواند راه تازه‌ای برای توسعه سامانه‌های انرژی پاک بگشاید. دستاورد محققان دانشگاه اصفهان و همکارانشان نمونه‌ای روشن از آن است که فناوری نانو چگونه می‌تواند از مقیاس اتم و نانومتر، بر مسئله‌ای به بزرگی بحران انرژی جهان اثر بگذارد.