به گزارش الفبای رشد به نقل از فرهنگ آفرینان، در جهانی که وابستگی به سوختهای فسیلی همچنان یکی از عوامل اصلی آلودگی هوا، تغییرات اقلیمی و ناامنی انرژی به شمار میرود، یافتن روشهایی برای تولید سوخت پاک به یک ضرورت راهبردی تبدیل شده است. هیدروژن از جمله گزینههای امیدبخش در این مسیر است؛ زیرا هنگام مصرف تنها آب تولید میکند و میتواند در صنایع، حملونقل و ذخیرهسازی انرژی نقش مهمی داشته باشد. با این حال، تولید اقتصادی و کمهزینه هیدروژن همچنان یکی از چالشهای مهم فناوری جهان است.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه اصفهان با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر، شرکت اپتیک نیرو در مرکز رشد دانشکده فنیوحرفهای شمسپور، سامانهای نوآورانه برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب طراحی کردهاند که میتواند گامی مؤثر در مسیر تولید هیدروژن خورشیدی باشد.
این فناوران در گامی مهم برای توسعه انرژیهای پاک، موفق به طراحی فوتوآندی پیشرفته برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب شدند؛ سامانهای که با بهرهگیری از نانوساختار «اپال معکوس» در دیاکسید تیتانیوم و ماده پروسکایتی CsPbBr۳، 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 که ضمن کاهش هزینه، دوام سامانه را نیز بالا برده 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.
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 پروژه از ترکیب CsPbBr۳، نوعی پروسکایت هالیدی غیرآلی، 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. اپال معکوس ساختاری سهبعدی با حفرههای منظم در مقیاس نانو است که میتواند نور را پراکنده کند و درون ماده به دام اندازد. 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.
