هیدروژن با وجود ویژگی غیر سمی خود، در سطح جهانی به یک سوخت جایگزین تبدیل شده است؛ ناسا از سال ۱۹۵۸ از هیدروژن برای تأمین انرژی برنامه‌های فضایی خود استفاده کرده است و تولیدکنندگان خودرو مانند تویوتا و هوندا نیز به این منبع انرژی برای تأمین سوخت وسایل نقلیه علاقه‌مند شده‌اند. با این حال، استفاده از هیدروژن با استفاده از الکترولیز برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن دارای محدودیت‌هایی برای مصرف انبوه است و فعالان این حوزه را با چالش‌هایی مواجه کرده است.
در این مقاله روش تولید هیدروژن و محدودیت‌های آن و همچنین نقشی که فناوری نانو می‌تواند در حل این مسئله داشته باشد، بررسی خواهد شد.
الکترولیز آب
الکترولیز آب می‌تواند به عنوان منبعی پاک‌تر و پایدارتر برای جایگزین سوخت‌های فسیلی باشد. الکترولیز فرآیند استفاده از جریان الکتریکی برای شکافت آب به هیدروژن و اکسیژن است. این فرآیند شامل دو واکنش نیم سلولی است که از واکنش آزادسازی هیدروژن و واکنش آزادسازی اکسیژن تشکیل شده است. مشابه هر واکنش شیمیایی دیگر، برای غلبه بر سد فرآیندهای الکتروشیمیایی در تولید هیدروژن از آب، انرژی لازم است، که به عنوان اضافه ولتاژ شناخته می‌شود.
هر دوی این واکنش‌های نیم سلولی به کاتالیست‌های مناسب نیاز دارند تا این اضافه ولتاژ را به منظور تولید مؤثر هیدروژن و اکسیژن و کاتالیست‌های مبتنی بر فلز گروه پلاتین و مشتقات آنها به حداقل برسانند، که این کاتالیست‌ها به عنوان موثرترین کاتالیست برای واکنش‌های آزادسازی هیدروژن شناخته می‌شوند. با این حال، این گروه فلزی کمیاب و گران هستند که این امر استفاده گسترده از این فلزات برای تولید هیدروژن را به منظور تأمین تقاضای جهانی محدود می‌کند.
فرآیند استفاده از الکتریسیته برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن اولین بار در سال ۱۸۰۰ توسط دو محقق بریتانیایی کشف شد، آنها فهمیدند که اختراع جدید باتری پیل ولتایی الساندرو ولتا می‌تواند برای این واکنش مورد استفاده قرار گیرد. این واکنش در مقیاس بزرگ‌تر می‌تواند یک امکان کاملاً واقعی برای تأمین انرژی اقتصادی‌تر و سبزتر به عنوان سوخت پاک جایگزین برای ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌مدت و حمل و نقل سنگین فراهم کند. با این حال، در وضعیت موجود، بیش از ۹۵ درصد از تولید هیدروژن از گازهای طبیعی ناشی از واکنش‌هایی است که کربن دی‌اکسید را به عنوان محصول زاید تولید می‌کنند. این امر می‌تواند تأثیر منفی کربن دی‌اکسید را به عنوان گاز گلخانه‌ای بر روی کره زمین بیشتر کند.
محدودیت‌ها
تولید انبوه الکترولیز از فلزات ارزشمندی استفاده می‌کند که کمیاب و گران‌قیمت هستند، این امر چالشی برای دانشمندان ایجاد می‌کند تا منبع ارزان‌تر و پایدارتری از فلزات برای تولید هیدروژن و اکسیژن پیدا کنند.
تایلر مفورد، دانشمندی که با استنفورد و موسسه علوم مواد و انرژی استنفورد (SIMES) در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلک (SLAC) همکاری می‌کند و تحقیقات مرتبط را سرپرستی می‌کند، اظهار داشت: «به اندازه کافی فلزات گران‌بها در جهان وجود ندارد که بتواند این واکنش را در مقیاس مورد نیاز ما تأمین کند و هزینه آنها آنقدر بالا است که هیدروژن تولیدی آنها هرگز نمی‌تواند با هیدروژن حاصل از سوخت‌های فسیلی رقابت کند.»
فقدان کارایی و پایداری این فرآیند نیاز به درک بهتر عملکرد کاتالیست‌های شکافت آب را نشان می‌دهد تا فرآیند به طور مؤثر بهبود یابد. با این حال، در زمینه روش‌های مشاهده این فرآیند، به دلیل محیط مایع استفاده از یک رآکتور الکتروکاتالیستی، کم کاری شده‌است.
مزیت فناوری نانو
با پیشرفت حوزه فناوری نانو، این مشکل اکنون می‌تواند به طور مؤثر رفع شود. حدود ۱۰ سال پیش، یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی پاتریک اونوین در دانشگاه وارویک، روش جدیدی را ابداع کردند که یک سلول الکتروشیمیایی کوچک را درون قطره‌ای در مقیاس نانو قرار دادند که در نوک لوله پیپت کار می‌کرد. عملکرد قطره شامل تصویربرداری از توپوگرافی سطحی است که با آن و همچنین جریان‌های یونی و الکترونیکی با وضوح بسیار بالا در تماس است.
این اختراع تقریباً یک دهه قدمت دارد و برای اهداف تحقیقات در حوزه کاتالیست مورد استفاده قرار نمی‌گرفت، اما تیم تحقیقاتی اونوین توانست این دستگاه بسیار کوچک را برای استفاده در یک محیط شیمیایی تطبیق دهد. مینکیونگ کانگ، پژوهشگر پسادکترا، گفت: «سازگاری این فناوری با این دستگاه، محققان را قادر می‌سازد تا با استفاده از آن، در طول واکنش از سطح ذره کاتالیست عبور کنند؛ این امر به آنها کمک می‌کند تا بتوانند برای مطالعه نواحی واکنش‌پذیر بسیار کوچک از بزرگنمایی استفاده کنند و امکان مطالعه تولید اکسیژن را در مقیاس بیش از صد میلیون برابر کوچک‌تر از روش‌های معمول فراهم می‌کند.»
کشف دیگری که در طول این تحقیق انجام شد این بود که در لبه‌های کاتالیست واکنش با سرعت بیشتری انجام می‌شد و این نشان‌دهنده اهمیت وجود ویژگی‌های نازک و تیز بودن در کاتالیست‌ها است. اهمیت ویژگی‌هایی که توسط این دستگاه جدید امکان‌پذیر شده در پیشرفت چگونگی کار کاتالیست‌ها برای تسریع فرآیند الکترولیز آب است. الکترولیز آب توسط الکتریسیته حاصل از منابع تجدیدپذیر راهی پایدار برای رسیدن به یک اقتصاد سبزتر خواهد بود.
جستجو برای الکتروکاتالیست‌های جدید برای مواد واکنش الکتروشیمیایی آزادسازی هیدروژن با استفاده از نانو مواد پیشرفته در حال انجام است. این روش با تمرکز بر الکتروکاتالیست‌های غیر پلاتینی مبتنی بر فلزات واسطه، آلیاژهای فلزی، اکسیدهای فلزات واسطه، کاربیدها، کاتالیست‌های کامپوزیتی بدون فلز و موارد دیگر از نانوذرات در دسترس و ارزان‌تر استفاده می‌کند.
حوزه نانوفناوری برای مشخصه‌یابی کاتالیست‌های جدید، امری اساسی برای پیشرفت اقتصاد سبزتر است که قابل اندازه‌گیری بودن کیفیت کاتالیست و همچنین استفاده از نانومواد به عنوان کاتالیست را تضمین می‌کند. هر دو این پیشرفت‌ها می‌تواند به شکل‌گیری نحوه تأمین هیدروژن به روشی تجدیدپذیرتر برای استفاده انبوه برای تأمین تقاضای جهانی کمک کند.
درباره نویسنده «مرضیه خان»
مرضیه خان عاشق تحقیقات علمی و نوآوری است. او دارای فوق لیسانس فناوری نانو و پزشکی ترمیمی و همچنین لیسانس علوم زیست پزشکی است. او در حال حاضر در NHS کار می‌کند و درگیر یک برنامه نوآوری علمی است.