سالانه حدود ۷۰ میلیون تن هیدروژن برای بخش‌های مختلف صنعتی تولید می‌شود. این صنایع عبارتند از تولید فولاد، پالایش نفت، متالورژی، فرآوری مواد غذایی، شیمیایی و کود. انرژی هیدروژن فوق‌العاده متنوع است؛ چون می‌تواند در هر دو شکل مایع و گازی بکار رود. این گاز می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلف به برق یا سوخت تبدیل شود.
مقدار هیدروژن موجود در جهان در مقایسه با هر عنصر دیگری بالا است. تخمین زده شده‌است که تقریباً ۹۰ درصد از کل اتم‌ها، هیدروژن هستند. اما اتم‌های هیدروژن نمی‌توانند به طور مستقل وجود داشته باشند و باید از عناصر دیگر جدا شوند. جداسازی (Decoupling) پایداری انرژی هیدروژن را تعیین می‌کند.
هیدروژن سبز چیست؟
فرآیند الکترولیز شامل شکافت آب به اکسیژن و هیدروژن در الکترولایزر تحت تأثیر جریان الکتریکی است. هنگامی که برق مورد استفاده در این فرآیند با استفاده از یک منبع تجدیدپذیر مانند باد یا انرژی خورشیدی تولید می‌شود، هیدروژن بدون آلاینده حاصل، هیدروژن سبز نامیده می‌شود. به طور کلی، خورشید به عنوان بزرگ‌ترین و اصلی‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفته می‌شود که به تازگی در تولید هیدروژن سبز مورد استفاده قرار گرفته‌است.
تولید هیدروژن سبز با استفاده از نانوذرات
دانشمندان موسسه ملی تحقیقات علمی (INRS) در دانشگاه کبک با موسسه شیمی و فرآیندهای انرژی، محیط زیست و سلامت (ICPEES) در دانشگاه CNRS استراسبورگ همکاری می‌کنند. آن‌ها به تازگی با ایجاد یک الکترود نانوساختار حساس به نور خورشید پیشرفتی بزرگی در تولید هیدروژن سبز داشته‌اند.
الکترولایزرهای صنعتی با شکافت مولکول‌های آب به اکسیژن و هیدروژن از طریق الکترولیز، معمولاً به انرژی بسیار بالایی و سرمایه‌گذاری زیادی نیاز دارند. تیم پژوهشگران در INRS و ICPEES در درجه اول از یک فرایند طبیعی موسوم به فتوسنتز الهام گرفتند. این تیم یک الکترود پیشرفته ایجاد کردند که تحت فوتوکاتالیز قرار می‌گیرد تا مولکول‌های آب را زیر نور خورشید جدا کند.
برای استفاده بهینه از انرژی خورشیدی، دانشمندان از تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) استفاده کردند. TiO2 یک نیمه‌رسانا پایدار شیمیایی است که به راحتی در دسترس بوده و نسبت به نور فرابنفش که حدود ۵ درصد از تابش خورشیدی را تشکیل می‌دهد، حساس است.
پژوهشگران ترکیب اتمی TiO2 را تغییر داده و حساسیت به آن را نسبت به نور مرئی افزایش داده‌اند. آن‌ها با موفقیت الکترودی را توسعه داده‌اند که می‌تواند تا 50 درصد از نور ساطع شده خورشید را جذب کند.
نانوساختار نسبت بین سطح و حجم یک ماده را افزایش می‌دهد. دانشمندان یک الکترود نانوساختار TiO2 شامل شبکه‌ای از نانولوله‌های TiO2 شبیه به ساختار کندوی زنبور عسل ایجاد کرده‌اند. این نانوساختار ناحیه سطح عملیاتی الکترود را به میزان ۱۰۰ هزار یا بیشتر افزایش می‌دهد.
مرحله نهایی توسعه الکترود، نانونماآرایی (nanodecoration) است که در آن پژوهشگران با استفاده از روش رسوب‌گذاری با لیزر، نانوذرات کاتالیزور را روی شبکه نانولوله‌های TiO2 قرار می‌دهند. این رسوب باعث افزایش کارایی الکترود برای تولید هیدروژن سبز می‌شود.
در طول توسعه الکترودها، یکی از چالش‌ها جایگزینی کاتالیزورهای پرهزینه کلاسیک، یعنی ایریدیوم و پلاتین، با کاتالیزور کم‌هزینه بود. این تیم تحقیقاتی کبالت اکسید (CoO) را به عنوان یک کاتالیزور مؤثر برای الکترولیز شناسایی کرد. آن‌ها دریافتند که نانوذرات CoO می‌توانند کارایی فوتوکاتالیستی الکترودهای جدید در نور مرئی را ده برابر افزایش دهند.
مزایا و کاربردهای هیدروژن سبز
یکی از مزایای اصلی هیدروژن سبز این است که می‌تواند در محل تولید مورد استفاده قرار گیرد و به جای دیگری منتقل شود.
مزیت دیگر هیدروژن سبز این است که می‌توان آن را در هر کجا که آب و برق وجود دارد تولید کرد. می‌توان آن را در خطوط لوله گاز موجود برای تغذیه لوازم خانگی ذخیره کرد. این الکترود نانوساختار می‌تواند به عنوان یک مولد مستقل گرما و الکتریسیته در حضور آب و انرژی کار کند.
سوخت هیدروژن سبز می‌تواند انرژی پاک برای حمل و نقل، واحدهای تولیدی و بسیاری از واحدهای وابسته به انرژی را تأمین کند. مزیت مهم دیگر تولید هیدروژن سبز این است که محصول جانبی فرآیند اکسیژن است.
چالش‌های هیدروژن سبز
در مقایسه با گاز طبیعی، بنزین و پروپان، هیدروژن در هوا قابل‌اشتعال‌تر است. بنابراین، استفاده از آن نیاز به هوشیاری زیادی دارد. چگالی هیدروژن کم‌تر از بنزین است و بنابراین به مراحل اضافی مانند کاهش دمای آن تا 253- درجه سانتی‌گراد برای مایع‌سازی یا فشرده‌سازی آن تا 700 برابر فشار اتمسفر قبل از حمل و نقل نیاز دارد.
آینده هیدروژن سبز
به گفته گلدمن ساکس، هیدروژن سبز می‌تواند تا سال ۲۰۵۰، تا ۲۵ درصد از نیازهای انرژی جهان را تأمین کند. دانشمندان در تلاشند تا هزینه تولید هیدروژن سبز را کاهش دهند.
آنالیز فعلی نشان داد که اگر هزینه هیدروژن سبز و مشتقات آن به 2 دلار در کیلوگرم کاهش یابد، به آسانی توسط بخش‌های مختلف مانند تولید برق و تولید کود مورد استفاده قرار خواهد گرفت. یک شکل دیگر از هیدروژن سبز آمونیاک سبز است که یک جایگزین بالقوه برای سوخت‌های فسیلی در تولید انرژی گرمایی است. آمونیاک سبز می‌تواند گازهای گلخانه‌ای و سایر آلاینده‌های سمی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
دانشمندان بر این باورند که افزایش تولید و بهره‌برداری از هیدروژن سبز به دستیابی به آلایندگی صفر تا سال ۲۰۵۰ و کاهش دمای جهان کمک می‌کند. در حال حاضر، بسیاری از کشورها مانند استرالیا، ژاپن، آلمان و پرتغال در صدد توسعه هیدروژن سبز برای به حداقل رساندن استفاده از سوخت‌های فسیلی هستند.
درباره نویسنده «دکتر پریوم بوز»
پریوم دارای مدرک دکتری در زیست شناسی گیاهی و بیوتکنولوژی از دانشگاه مدرس هند است. او یک محقق فعال و یک نویسنده باتجربه علمی است. پریوم همچنین چندین مقاله تحقیقاتی اصلی را که در مجلات معتبر منتشر شده است، تألیف کرده است. او همچنین یک خواننده مشتاق و یک عکاس آماتور است.