کاتالیزور جدیدی که سه برابر بهتر آب را تجزیه می کند

دانشمندان از ترکیب تئوری و ساخت ژلی دقیق و هوشمندانه گونه ی جدیدی کاتالیزور ساختند که سه برابر بهتر از بهترین کاتالیزور موجود قادر به شکافت آب به هیدروژن و اکسیژن می باشد.

شکافت آب از این جهت مهم است که نخستین گام در ساخت سوخت از انرژی های تجدید پذیر باد یا خورشید است.

طبق تحقیقی که در نشریه ی علم منتشر شد روشی بالقوه برای ساخت نسل آینده ی کاتالیزورهای شکافت آب با استفاده از سه فلز فراوان یعنی آهن، کبالت و تنگستن به جای فلزات کمیاب و گرانی که امروزه در ساخت کاتالیزورها استفاده می شوند یافته شده است.

الکساندرا وویودیچ دانشمند گروه SLAC و مرکز مطالعات کاتالیزور SUNCAT که بخش نظری تحقیق را هدایت کرده در این مورد می گوید: “خبر خود در مورد این کاتالیزور ساده بودن ساخت آن است. بدون هیچ وسیله ی عجیب و غریبی می توانیم این کاتالیزور را در تعداد بالا تولید کنیم ضمن اینکه بسیار قدرتمند و پایدار است.”

ذخیره ی انرژی خورشید و باد

دانشمندان به دنبال راهی موثر برای ذخیره ی الکتریسیته ی تولید شده توسط خورشید و باد هستند تا بتوانند همیشه از آن استفاده کنند نه فقط زمانی که خورشید می درخشد و باد می وزد. یک راه استفاده از جریان الکتریسیته برای شکافت ملکولهای آب به هیدروژن و اکسیژن و ذخیره ی هیدروژن حاصله به عنوان سوخت می باشد.

این فرآیند چند مرحله دارد که هرکدام برای بالا رفتن سرعتشان نیاز به کاتالیزور دارند (کاتالیزور ماده ای است که بر واکنشهای شیمیایی اثر می گذارد بدون اینکه خود مصرف شود). در تحقیق حاضر دانشمندان دنبال یافتن کاتالیزوری برای مرحله ی پیوند اتمهای اکسیژن و تشکیل گازی که از محیط خارج شوند بودند. این مرحله در حالت عادی با سرعت کمی طی می گردد و سرعت فرآیند را کاهش می دهد.

در تحقیق قبلی ویوودیچ و همکارانش در SUNCAT با استفاده از تئوری و محاسبات دنبال کاتالیزورهای اکسیدی شکافت آب بودند که محتوی یک یا دو فلز باشند. همچنین دنبال راهی برای فعالتر کردن این فلزها هم بودند. برای این تحقیق ادوارد اچ. سارجنت استاد مهندسی کامپیوتر و برق دانشگاه تورنتو به گروه پیشنهاد داد به افزودن تنگستن (فلزی سنگین و متراکم که در فیلامان لامپها استفاده می شود) به کاتالیزور آهن-کبالت که کارایی مناسبی نداشت فکر کنند.

با کمک کامپیوترهای قدرتمند SLAC و ابزارهای محاسباتی مدرن گروه SUNCAT دریافت افزودن تنگستن سطح فعالیت کاتالیزور را بشدت افزایش می دهد بویژه زمانی که سه فلز جوری بیامیزند که اتمهایشان بجای خوشه های جدا بصورت یکدست در سطح کاتالیزور و جایی که واکنش صورت می گیرد توزیع شده باشند.

تنگستن در مقایسه با دو فلز دیگر بزرگ است و زمانی که کمی از آن را به کاتالیزور می افزاییم شبکه ی اتمی را گسترده تر می کند و این باعث تاثیر توامان الکتریکی و هندسی واکنش می گردد. وویودیچ در این باره می گوید: “ما توانستیم بفهمیم که در مقیاس اتمی چرا چنین اتفاقی می افتد و بعد آنرا با آزمایشهایی به اثبات رساندیم.”

افزودن اتمهای فلز، ترکیب آنها و تولید ژل

طبق اطلاعات کسب شده گروه سارجنت راهی جدید برای پخش سه فلز در کاتالیزور به شکل یکپارچه یافتند: آنها فلزات و دیگر مواد لازم را ذوب کرده و به تدریج محلول حاصل را به شکل ژله ای در دمای اتاق در آوردند تا اتمهای فلزها به هم نچسبند. سپس ژل را به شکل پودر سفیدی خشک کرده و در آن منافذی قرار دادند تا سطح برخورد مواد شیمیایی باهم بیشتر شود.

به گفته ی سارجنت در آزمایشها کاتالیزور توانست سه برابر سریعتر از رکورد قبلی گاز اکسیژن را تولید کند و مهمتر اینکه در صدها چرخه ی واکنش این سرعت ثابت ماند.

سارجنت بر این نظر است که پیشرفت اخیر پیشرفتی مهم است هرچند امکان پیشرفتهای آتی هم وجود دارد. آنها قصد دارند کاتالیزور و سیستمهای الکترولیز را کم هزینه تر و موثرتر ساخته و هزینه ی تولید سوختهای تجدیدپذیر هیدروژنی را رقابتی تر از گذشته کنند.

سارجنت میگوید محققان امید دارند همین روش را برای کاتالیزورهای سه فلزی دیگری هم به کار گیرند تا بتوانند علاوه بر شکافت آب کربن دی اکسید را هم بشکافند. کربن دی اکسید گازی گلخانه ایست که با سوختن سوختهاب فسیلی آزاد می شود. به این ترتیب امکان تولید سوختهای تجدیدپذیر و مواد اولیه ی شیمیایی فراهم می شود. او به همراه دیگر اعضای گروه برگه های ثبت اختراع برای این کاتالیزور را به بنیاد ثبت اختراعات داده اند.

برنامه های آینده

وویودیچ در مورد برنامه های پیش رو می گوید: “هنوز باید چیزهای زیادی را بفهمیم. آیا فلزات فراوان دیگری هم هستند که بتوانیم بعنوان مخلوطی آنها را در اکسیدها بیازماییم؟ مخلوط بهینه ی این فلزات چه نسبتی دارد؟ این کاتالیزور چقدر پایدار است و چگونه میتوانیم آنرا به تولید انبوه برسانیم؟ باید این کاتالیزور را از دید کاربردی بیشتر مورد بررسی قرار دهیم.”

جفری سی. گراسمن استاد مهندسی مواد دانشگاه ماساچوست که نقشی در این تحقیق نداشته می گوید: “این تحقیق با استفاده از روشهای تجربی پیشرفته بخوبی قدرت مواد محاسباتی شدیداً مزدوج را نشان داد و انتظارها را بالاتر برد. این تحقیق باعث تسریع پیشرفت در مسیر یافتن مواد سودمند برای تبدیل انرژی و ذخیره سازی آن شد.”

منبع: Science Daily