فناوری جدید ژاپنی‌ها برای تبدیل نور خورشید و آب به سوخت هیدروژنی

این فناوری جدید با استفاده از یک فوتوکاتالیست ویژه می‌تواند به عرضه سوخت هیدروژن ارزان‌تر، فراوان‌تر و پایدار برای کاربردهای مختلف کمک کند.

در حال حاضر، بیشتر هیدروژن آزاد از مواد اولیه گاز طبیعی به دست می‌آید، به این معنی که دور شدن از سوخت‌های فسیلی برای این گزینه سبزتر یک گزینه نیست. با این حال، این روش جدید با انرژی خورشیدی که به راحتی ساخته می‌شود، می‌تواند برای تبدیل شدن هیدروژن به یک جایگزین در آینده، حیاتی باشد.

پروفسور کازوناری دومن(Kazunari Domen) از دانشگاه شینشو(Shinshu) و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: تجزیه آب تحت نور خورشید با استفاده از فوتوکاتالیست‌ها یک فناوری ایده‌آل برای تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی به شیمیایی است و پیشرفت‌های اخیر در مواد و سیستم‌های فوتوکاتالیستی امیدها را برای تحقق آن افزایش می‌دهد.

وی افزود: با این حال، چالش‌های زیادی باقی مانده است.

اصل اساسی در پس این فرآیند جدید، تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن است. این فرآیند در حالی که ساده به نظر می‌رسد، انرژی‌بر است و به یک کاتالیزور و در این مورد، کاتالیزورهای خاصی به نام فوتوکاتالیست نیاز دارد.

هیدروژن گرفتن از آب با استفاده از نور

این کاتالیزورها هنگامی که در معرض نور قرار می‌گیرند، واکنش‌های شیمیایی را تسهیل می‌کنند و آب را به قطعات تشکیل دهنده خود تجزیه می‌کنند. این مفهوم جدید نیست، اما اکثر موارد موجود، به اصطلاح «یک مرحله‌ای» و ناکارآمد هستند و نرخ تبدیل انرژی خورشید به هیدروژن ناچیز است.

سیستم برانگیختگی دو مرحله‌ای پیچیده‌تر دیگری نیز وجود دارد که کارآمدتر است. در این سیستم‌ها، یک فوتوکاتالیست از آب، هیدروژن تولید می‌کند، در حالی که دیگری اکسیژن تولید می‌کند.

تیم ژاپنی این فرآیند دوم «دو مرحله‌ای» شکافت آب را انتخاب کرد. دکتر تاکاشی هیساتومی(Takashi Hisatomi) از دانشگاه شینشو یکی دیگر از نویسندگان مطالعه گفت: فناوری تبدیل انرژی خورشیدی نمی‌تواند در شب یا در آب و هوای بد کار کند.

وی افزود: اما با ذخیره انرژی نور خورشید به عنوان انرژی شیمیایی مواد سوختی، امکان استفاده از آن در هر زمان و هر مکان وجود دارد.

محققان با بهره‌برداری از یک راکتور ۱۰۰ متر مربعی به مدت سه سال، اثبات موفقی از این مفهوم را ارائه کردند. این راکتور حتی در نور خورشید واقعی بهتر از شرایط آزمایشگاهی عمل کرد.

هیساتومی گفت: در سیستم ما با استفاده از یک فوتوکاتالیست پاسخگو به اشعه فرابنفش، بازده تبدیل انرژی خورشیدی زیر نور طبیعی خورشید حدود یک و نیم برابر بیشتر بود.

بازده تبدیل انرژی خورشیدی می‌تواند در مناطقی که نور طبیعی خورشید دارای طول موج کوتاه بیشتری است، بالاتر باشد. با این حال، در حال حاضر بازدهی در زیر نور استاندارد شبیه‌سازی شده خورشید در بهترین حالت یک درصد است و در زیر نور طبیعی خورشید بازده به پنج درصد هم نمی‌رسد.

محققان برای پیشبرد این فناوری و شکستن این سد پنج درصدی به توسعه فوتوکاتالیست‌های کارآمدتر و ساخت راکتورهای آزمایشی بزرگ‌تر نیاز دارند.

دومن توضیح داد: مهم‌ترین جنبه‌ای که باید توسعه یابد، کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به شیمیایی توسط فوتوکاتالیست‌هاست.

اگر به سطح عملی ارتقا یابد، بسیاری از محققان به طور جدی روی توسعه فناوری تولید انبوه، فرآیندهای جداسازی گاز و ساخت نیروگاه‌ها در مقیاس بزرگ کار خواهند کرد. این امر همچنین باعث تغییر رویکرد افراد از جمله سیاستگذاران در مورد تبدیل انرژی خورشیدی و تسریع توسعه زیرساخت‌ها، قوانین و مقررات مربوط به سوخت خورشیدی خواهد شد.

این مطالعه در مجله Frontiers in Science منتشر شده است.