به گزارش اطلاعات آنلاین، یک ماده جدید فعال شونده با نور می‌تواند بدون نیاز به کاتالیزور فلزی گران‌قیمت اضافی، هیدروژن را از آب به طور مؤثر تولید کند. محققان می‌گویند شیمی غیرمعمول مبتنی بر گوگرد آن می‌تواند به روش‌های ارزان‌تر و عملی‌تری برای تبدیل نور خورشید به سوخت پاک منجر شود.
محققان دانشگاه ایالتی اورگان یک فوتوکاتالیست توسعه داده اند که قادر به تولید سریع و کارآمد هیدروژن است. هیدروژن به طور گسترده در سلول‌های سوختی وسایل نقلیه و همچنین در تولید آمونیاک، پالایش فلزات و تولید پلاستیک استفاده می‌شود.
استفاده از نور برای سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی
کاتالیزور ماده‌ای است که یک واکنش شیمیایی را بدون تغییر دائمی در فرآیند تسریع می‌کند. یک فوتوکاتالیست به روشی مشابه کار می‌کند اما توسط نور فعال می‌شود. پس از جذب نور، ماده به حالت انرژی بالاتری می‌رسد و می‌تواند از آن انرژی برای هدایت سریع‌تر واکنش‌های شیمیایی استفاده کند.
این یافته‌ها می‌تواند ابزار دیگری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی در اختیار محققان قرار دهد.
تحقیقات روی چارچوب‌های آلی فلزی یا MOFها متمرکز است که موادی کریستالی و متخلخل با ساختارهایی هستند که می‌توانند با دقت سفارشی شوند.
MOFها از یون‌های فلزی با بار مثبت احاطه شده اند و توسط مولکول‌های پیونددهنده آلی ساخته می‌شوند. منافذ ریز و ساختارهای قابل تنظیم آنها به دانشمندان این امکان را می‌دهد که خواص آنها را برای کاربردهای مختلف تنظیم کنند.
از نظر تئوری، میلیون‌ها ساختار مختلف MOF امکان‌پذیر است. محققان شیمی تاکنون نزدیک به ۱۰۰ هزار مورد از آنها را سنتز کرده‌اند، در حالی که خواص تقریباً نیم میلیون مورد دیگر نیز پیش‌بینی شده است.
یک پیوند غیرمعمول گوگرد، واکنش را هدایت می‌کند
برای این مطالعه، محققان روی یک MOF به نام BVR-19 تمرکز کردند. این ماده حاوی یک پیوند غیرمعمول سولفید به سولفید است که هنگام قرار گرفتن در معرض نور به طور موقت می‌شکند و گونه‌های گوگردی بسیار واکنش‌پذیر تولید می‌کند.
به جای تکیه اصلی بر اتم‌های فلز، این ماده از بلوک‌های سازنده آلی حاوی گوگرد خود برای جذب انرژی نور و انتقال الکترون‌ها به جایی استفاده می‌کند که برای تولید هیدروژن مورد نیاز هستند. این نشان دهنده روش متفاوتی برای تفکر در مورد چگونگی طراحی این مواد است.
این رویکرد به این معنی است که BVR-19 به یک کاتالیزور فلزی گران‌قیمت اضافی نیاز ندارد. این می‌تواند طراحی سیستم‌های تولید هیدروژن با محرک نور در آینده را ساده‌تر کند.
این ماده همچنین یک مزیت بالقوه‌ی دیگر دارد؛ BVR-19 به طور خودبه‌خود در محلول‌های آبی در دمای اتاق تشکیل می‌شود که میزان انرژی مورد نیاز برای تولید آن را کاهش می‌دهد.
یک جایگزین پاک‌تر برای هیدروژن معمولی
تولید هیدروژن با تجزیه آب با یک کاتالیزور می‌تواند پاک‌تر از روش صنعتی غالب باشد که به گاز طبیعی متکی است. این فرآیند مرسوم که به عنوان اصلاح بخار متان شناخته می‌شود در حین تولید هیدروژن، دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند.
روش‌های موجود برای تولید هیدروژن از آب اغلب به الکتروکاتالیز متکی هستند که از برق برای هدایت واکنش کاتالیزوری استفاده می‌کند. مزایای زیست‌محیطی این رویکرد به شدت به منبع برق بستگی دارد. برای حفظ پایداری و رقابت اقتصادی، انرژی باید از منابع تجدیدپذیر کم‌هزینه تأمین شود.
قوانین طراحی جدید برای هیدروژن سبز ارزان‌تر
این پژوهش طرحی را برای طراحی مواد بهتری ارائه می‌دهد که می‌توانند هزینه هیدروژن سبز را کاهش دهند. با تغییر فلز در حالی که بقیه مواد اساساً یکسان نگه داشته می‌شوند، کشف شده است که چرا برخی از نسخه‌های MOF بسیار بهتر از سایرین کار می‌کنند. این یافته‌ها قوانین طراحی جدیدی را برای ایجاد مواد مؤثرتر برای تولید سوخت خورشیدی ارائه می‌دهند.
نتایج این پژوهش به تازگی در ژورنال AmericanChemical Society منتشر شده است.