مهندسان شیمی یک برگ مصنوعی با انرژی خورشیدی اختراع کرده اند که بر روی یک الکترود جدید ساخته شده است که شفاف و متخلخل است و قادر به برداشت آب از هوا برای تبدیل به سوخت هیدروژنی است. فناوری مبتنی بر نیمه هادی مقیاس پذیر و آسان برای آماده سازی است.

دستگاهی که می تواند آب را از هوا جمع آوری کند و سوخت هیدروژنی را تامین کند – که کاملاً با انرژی خورشیدی تامین می شود – برای دهه ها رویای محققان بوده است. اکنون، کوین سیولا، مهندس شیمی EPFL و تیمش گام مهمی در جهت نزدیک‌تر کردن این دیدگاه به واقعیت برداشته‌اند. 

آنها یک سیستم مبتکرانه و در عین حال ساده ایجاد کرده اند که فناوری مبتنی بر نیمه هادی را با الکترودهای جدید ترکیب می کند که دو ویژگی کلیدی دارند: متخلخل بودن، برای به حداکثر رساندن تماس با آب در هوا. و شفاف، برای به حداکثر رساندن قرار گرفتن در معرض نور خورشید از پوشش نیمه هادی. هنگامی که دستگاه به سادگی در معرض نور خورشید قرار می گیرد، آب را از هوا گرفته و گاز هیدروژن تولید می کند. نتایج در 4 ژانویه 2023 در Advanced Materials منتشر شده است .

چه خبر؟ این الکترودهای جدید انتشار گاز آنها هستند که شفاف، متخلخل و رسانا هستند و این فناوری با انرژی خورشیدی را برای تبدیل آب – در حالت گاز از هوا – به سوخت هیدروژنی قادر می‌سازند.

“برای تحقق یک جامعه پایدار، ما به راه هایی برای ذخیره انرژی های تجدیدپذیر به عنوان مواد شیمیایی نیاز داریم که بتوان از آنها به عنوان سوخت و مواد اولیه در صنعت استفاده کرد. انرژی خورشیدی فراوان ترین نوع انرژی تجدیدپذیر است و ما در تلاش هستیم تا راه های اقتصادی رقابتی برای تولید ایجاد کنیم. سوخت‌های خورشیدی، “سیولا از آزمایشگاه EPFL برای مهندسی مولکولی نانومواد اپتوالکترونیک و محقق اصلی این مطالعه می‌گوید.

الهام از برگ یک گیاه

مهندسان EPFL با همکاری تویوتا موتور اروپا، در تحقیقات خود برای سوخت‌های فسیلی تجدیدپذیر، از روشی الهام گرفتند که گیاهان قادر به تبدیل نور خورشید به انرژی شیمیایی با استفاده از دی اکسید کربن موجود در هوا هستند. یک گیاه اساساً دی اکسید کربن و آب را از محیط خود برداشت می کند و با افزایش انرژی اضافی از نور خورشید، می تواند این مولکول ها را به قند و نشاسته تبدیل کند، فرآیندی که به عنوان فتوسنتز شناخته می شود. انرژی نور خورشید به شکل پیوندهای شیمیایی در داخل قندها و نشاسته ها ذخیره می شود.

الکترودهای انتشار گاز شفاف توسعه یافته توسط سیولا و تیمش، هنگامی که با مواد نیمه هادی جمع آوری سبک پوشانده می شوند، در واقع مانند یک برگ مصنوعی عمل می کنند و آب را از هوا و نور خورشید برای تولید گاز هیدروژن جمع آوری می کنند. انرژی نور خورشید به شکل پیوندهای هیدروژنی ذخیره می شود.

به جای ساخت الکترودهایی با لایه های سنتی که در برابر نور خورشید مات هستند، بستر آنها در واقع یک شبکه سه بعدی از الیاف شیشه ای نمدی است.

مارینا کارتی، نویسنده اصلی این کار، می‌گوید: «توسعه نمونه اولیه دستگاه چالش‌برانگیز بود، زیرا الکترودهای شفاف انتشار گاز قبلاً نشان داده نشده بود، و ما مجبور بودیم روش‌های جدیدی را برای هر مرحله ایجاد کنیم. با این حال، از آنجایی که هر مرحله نسبتاً ساده است و مقیاس پذیر، من فکر می کنم که رویکرد ما افق های جدیدی را برای طیف گسترده ای از کاربردها باز خواهد کرد که از بسترهای انتشار گاز برای تولید هیدروژن مبتنی بر خورشید شروع می شود.”

از آب مایع گرفته تا رطوبت هوا

Sivula و دیگر گروه‌های تحقیقاتی قبلاً نشان داده‌اند که می‌توان فتوسنتز مصنوعی را با تولید سوخت هیدروژن از آب مایع و نور خورشید با استفاده از دستگاهی به نام سلول فوتوالکتروشیمیایی (PEC) انجام داد. سلول PEC به طور کلی به عنوان وسیله ای شناخته می شود که از نور تابشی برای تحریک یک ماده حساس به نور مانند یک نیمه هادی غوطه ور در محلول مایع برای ایجاد واکنش شیمیایی استفاده می کند. اما برای اهداف عملی، این فرآیند دارای معایبی است، به عنوان مثال، ساختن دستگاه‌های PEC با مساحت بزرگ که از مایع استفاده می‌کنند، پیچیده است.

Sivula می خواست نشان دهد که فناوری PEC را می توان برای برداشت رطوبت از هوا به جای آن سازگار کرد و منجر به توسعه الکترود انتشار گاز جدید آنها شد. سلول‌های الکتروشیمیایی (مثلاً پیل‌های سوختی) قبلاً نشان داده شده‌اند که به جای مایعات با گازها کار می‌کنند، اما الکترودهای انتشار گاز که قبلاً استفاده می‌شد، مات هستند و با فناوری PEC با انرژی خورشیدی سازگار نیستند.

اکنون، محققان تلاش های خود را برای بهینه سازی سیستم متمرکز کرده اند. اندازه ایده آل فیبر چیست؟ اندازه منافذ ایده آل؟ نیمه هادی ها و مواد غشایی ایده آل؟ اینها سوالاتی هستند که در پروژه اتحادیه اروپا “Sun-to-X” که به پیشرفت این فناوری اختصاص داده شده است و راه های جدیدی برای تبدیل هیدروژن به سوخت مایع ایجاد می کند.

ساخت الکترودهای شفاف و انتشار گاز

به منظور ساخت الکترودهای انتشار گاز شفاف، محققان با نوعی پشم شیشه که اساساً از الیاف کوارتز (همچنین به عنوان اکسید سیلیکون نیز شناخته می‌شود) شروع می‌کنند و با ذوب الیاف در دمای بالا به ویفرهای نمدی تبدیل می‌شوند. سپس، ویفر با یک لایه نازک شفاف از اکسید قلع آغشته به فلوئور پوشانده می‌شود، که به دلیل رسانایی عالی، استحکام و سهولت در مقیاس‌بندی معروف است. 

این مراحل اولیه منجر به یک ویفر شفاف، متخلخل و رسانا می شود که برای به حداکثر رساندن تماس با مولکول های آب در هوا و عبور فوتون ها ضروری است. سپس ویفر دوباره پوشیده می شود، این بار با لایه نازکی از مواد نیمه هادی جاذب نور خورشید. این پوشش نازک دوم همچنان نور را از خود عبور می دهد، اما به دلیل سطح بزرگ زیرلایه متخلخل، مات به نظر می رسد. همانطور که هست

دانشمندان در ادامه یک محفظه کوچک حاوی ویفر پوشش داده شده و همچنین غشایی برای جداسازی گاز هیدروژن تولید شده برای اندازه گیری ساختند. هنگامی که محفظه آنها در شرایط مرطوب در معرض نور خورشید قرار می گیرد، گاز هیدروژن تولید می شود که به آنچه دانشمندان در نظر داشتند دست می یابد و نشان می دهد که می توان به مفهوم الکترود انتشار گاز شفاف برای تولید گاز هیدروژن با انرژی خورشیدی دست یافت.

در حالی که دانشمندان به طور رسمی کارایی تبدیل خورشید به هیدروژن را در نمایش خود مطالعه نکردند، آنها اذعان داشتند که این کارایی برای این نمونه اولیه متوسط ​​است و در حال حاضر کمتر از آن چیزی است که می توان در سلول های PEC مبتنی بر مایع به دست آورد. بر اساس مواد مورد استفاده، حداکثر راندمان تئوری تبدیل خورشیدی به هیدروژن ویفر پوشش داده شده 12٪ است، در حالی که سلول های مایع تا 19٪ کارآمد نشان داده شده است.