چگونه کارایی فتوکاتالیست برای تولید هیدروژن ارتقاء یافت؟

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تیمی از دانشگاه پلی‌تکنیک کاتالونیا (UPC) و موسه علوم و فناوری نانو (ICN 2) فوتوکاتالیست کارآمد و پایداری را طراحی کرده‌اند که قادر است به طور مستقیم و با استفاده از نور خورشید، هیدروژن تولید کند. نتایج این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است. هیدروژن برای انتقال انرژی ضروری است، البته تا زمانی که از منابع تجدید‌پذیر (هیدروژن سبز) تولید شود. مدت‌هاست که مشخص شده الکترون‌ها در برخی از نیمه‌هادی‌ها می‌توانند در هنگام برانگیختگی توسط نور خورشید در واکنش‌های شیمیایی شرکت کنند. در این پروژه محققان به سراغ دی‌اکسید تیتانیوم رفتند، یک ماده ارزان و بی‌ضرر که به عنوان رنگدانه سفید در رنگ‌ها، پلاستیک‌ها، جوهر‌ها و لوازم آرایشی مورد استفاده قرار می‌گیرد. الکترون‌های برانگیخته، در دی‌اکسید تیتانیوم قادر به تولید هیدروژن از پروتون‌های موجود در آب و ترکیبات آلی هستند. با این حال، تولید هیدروژن بسیار کم است، زیرا الکترون‌ها تمایل به آرامش دارند و نه واکنش، بنابراین راندمان فرایند از دیدگاه عملی بسیار کم است. این محدودیت را می‌توان با وارد کردن دی‌اکسید تیتانیوم در تماس با نانوذرات فلزی، که به عنوان فیلتر‌های الکترون عمل می‌کنند، برطرف کرد و عمر الکترون‌ها را در حالت برانگیخته گسترش دهد تا آن‌ها بتوانند واکنش نشان دهند و هیدروژن تولید کنند. این کار به ما اجازه می‌دهد تا صد‌ها بار بازده بالاتر را بدست آوریم. این مطالعه گامی به جلو برای تولید هیدروژن پایدار است. محققان با استفاده از یک فرآیند مکانیکی شیمیایی، خوشه‌های فلزی را بر روی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم با مورفولوژی‌های مختلف قرار دادند و دریافتند که ویژگی‌های کریستالوگرافی دی‌اکسید تیتانیوم نقش مهمی در تولید هیدروژن دارند. هم ثبات فوتوکاتالیست‌ها و هم قدرت انتقال الکترون بین نیمه‌هادی و نانوذرات فلزی به شدت با ساختار کریستالوگرافی ماده ارتباط دارد که مسئولیت تحرک و تجمع اتم را بر عهده دارد. محققان دریافتند هنگامی که خوشه‌های پلاتین در نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم هشت ضلعی قرار می‌گیرند، فتوکاتالیستی به دست می‌آید که مقادیر بالاتری از هیدروژن را تولید می‌کند و از همه مهمتر، بسیار پایدارتر از هر ترکیب دیگری است. این مطالعه نمونه‌ای قابل توجه از چگونگی استفاده از فناوری نانو برای طراحی دستگاه‌های جدید در زمینه انرژی است. نتایج این تحقیق، طراحی کاتالیزور‌های جدید را برای تولید کارآمد و پایدار هیدروژن سبز امکان پذیر می‌کند.