چینی‌ها از بقایای ذرت کاتالیست ساختند

نورنیوز-گروه اجتماعی: در حالی که جهان با شتابی فزاینده به سوی توسعه اقتصاد هیدروژنی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی حرکت می‌کند، پژوهشگران چینی موفق شده‌اند فناوری نوینی را ارائه کنند که می‌تواند یکی از مهم‌ترین موانع تولید هیدروژن سبز را برطرف سازد.

این دستاورد جدید که بر پایه گرافن تولیدشده از ضایعات کشاورزی شکل گرفته است، نه‌تنها بازده تولید هیدروژن را افزایش می‌دهد، بلکه مصرف یکی از گران‌ترین و کمیاب‌ترین فلزات مورد استفاده در این صنعت را نیز به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد.

این پژوهش توسط گروهی از محققان دانشگاه نرمال یون‌نان (Yunnan Normal University)، آزمایشگاه کلیدی دولتی متالورژی پیشرفته فلزات غیرآهنی (State Key Laboratory of Advanced Metallurgy for Non-ferrous Metals) و دانشگاه علم و فناوری کونمینگ (Kunming University of Science and Technology) انجام شده است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که گرافن مشتق‌شده از زیست‌توده می‌تواند نقشی فراتر از یک ماده پشتیبان ایفا کند و به‌طور مستقیم در افزایش کارایی کاتالیست‌های تولید هیدروژن مشارکت داشته باشد.

هیدروژن سبز که از تجزیه آب با استفاده از برق حاصل از منابع تجدیدپذیر تولید می‌شود، یکی از مهم‌ترین گزینه‌های جهان برای دستیابی به اهداف کاهش انتشار کربن به شمار می‌رود. در میان فناوری‌های موجود، الکترولیز آب با غشای تبادل پروتون یا PEM یکی از پیشرفته‌ترین روش‌ها برای تولید هیدروژن پاک محسوب می‌شود. با این حال، واکنش تکامل اکسیژن در آند این سامانه‌ها همواره به‌عنوان یکی از چالش‌های اصلی شناخته شده است؛ زیرا این واکنش از سرعت پایینی برخوردار بوده و انرژی قابل توجهی مصرف می‌کند.

در حال حاضر، ایریدیوم یکی از معدود فلزاتی است که می‌تواند در شرایط اسیدی سامانه‌های PEM عملکردی پایدار و کارآمد ارائه دهد. اما این فلز جزو کمیاب‌ترین عناصر جهان محسوب می‌شود و قیمت بسیار بالایی دارد. همین مسئله باعث شده است پژوهشگران سراسر جهان به دنبال راهکارهایی برای کاهش مصرف ایریدیوم بدون افت عملکرد کاتالیست‌ها باشند.

در پژوهش جدید، دانشمندان چینی موفق شدند نانولایه‌های گرافنی را از بقایای ساقه و کلش ذرت تولید کنند. این ضایعات کشاورزی که معمولاً ارزش اقتصادی چندانی ندارند، پس از فرایند فعال‌سازی با هیدروکسید پتاسیم به ماده‌ای پیشرفته با سطح ویژه بسیار بالا، ساختار متخلخل گسترده و تعداد زیادی نقص ساختاری تبدیل شدند.

به گفته پژوهشگران، این روش در مقایسه با مسیرهای رایج تولید گرافن ساده‌تر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط زیست است. افزون بر این، ساختار حاصل از این فرایند ویژگی‌هایی را در اختیار گرافن قرار می‌دهد که آن را به بستری ایده‌آل برای فعالیت‌های الکتروکاتالیستی تبدیل می‌کند.

نکته قابل توجه آن است که گرافن تولیدشده در این مطالعه تنها نقش یک پایه نگهدارنده را ایفا نمی‌کند. ساختار متخلخل و غنی از نقص آن امکان استقرار یکنواخت نانوذرات ایریدیوم را فراهم می‌سازد و باعث می‌شود تعداد بیشتری از اتم‌های این فلز ارزشمند در فرایند واکنش مشارکت کنند. در نتیجه، مقدار بسیار کمتری از ایریدیوم برای دستیابی به عملکرد مطلوب مورد نیاز خواهد بود.

از سوی دیگر، شبکه رسانای گرافنی انتقال سریع الکترون‌ها را تسهیل می‌کند و گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار موجود بر سطح آن به تثبیت نانوذرات ایریدیوم کمک می‌کنند. این ویژگی از جابه‌جایی، تجمع و تخریب تدریجی ذرات فلزی در طول بهره‌برداری جلوگیری کرده و طول عمر کاتالیست را افزایش می‌دهد.

بر پایه این فناوری، محققان موفق به ساخت یک کاتالیست ناهم‌ساختار با نام Ir₀.₃/S-GNSs-۷۵۰ شدند که با وجود بارگذاری بسیار پایین ایریدیوم، عملکردی چشمگیر از خود نشان داده است. بررسی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد برهم‌کنش قوی میان گرافن دارای نقص‌های ساختاری و گروه‌های اکسیژن‌دار با نانوذرات ایریدیوم، ساختار الکترونیکی مراکز فعال را تغییر می‌دهد و شرایط واکنش را بهینه می‌سازد.

یکی از مهم‌ترین نتایج این تغییر، تحول در مسیر انجام واکنش تکامل اکسیژن است. در حالت معمول، مرحله تبدیل OH به O به‌عنوان گلوگاه اصلی واکنش شناخته می‌شود و انرژی زیادی مصرف می‌کند. اما در کاتالیست جدید، مرحله محدودکننده سرعت به مسیر مطلوب‌تر O به OOH منتقل شده است. این تغییر باعث شده اضافه‌ولتاژ تئوری واکنش از ۰٫۷۴ ولت به ۰٫۵۶ ولت کاهش یابد؛ دستاوردی که نشان‌دهنده افزایش قابل توجه بازده فرایند تولید هیدروژن است.

کارشناسان حوزه انرژی معتقدند این پژوهش نمونه‌ای موفق از تلفیق اقتصاد چرخشی، فناوری نانو و انرژی‌های تجدیدپذیر به شمار می‌رود. استفاده از ضایعات کشاورزی ارزان‌قیمت برای تولید مواد پیشرفته‌ای که بتوانند مصرف فلزات گران‌بها را کاهش دهند، نه‌تنها هزینه تولید هیدروژن سبز را پایین می‌آورد، بلکه پایداری زنجیره تأمین مواد اولیه را نیز بهبود می‌بخشد.

این دستاورد همچنین نشان می‌دهد گرافن مشتق‌شده از زیست‌توده می‌تواند در نسل آینده کاتالیست‌های صنعتی به یک جزء فعال و تعیین‌کننده تبدیل شود؛ ماده‌ای که هم‌زمان موجب افزایش کارایی، ارتقای پایداری و کاهش وابستگی به منابع محدود معدنی خواهد شد. در صورت تجاری‌سازی موفق این فناوری، مسیر توسعه هیدروژن سبز در مقیاس صنعتی می‌تواند با سرعت بیشتری دنبال شود و گامی مهم در جهت تحقق اهداف جهانی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای برداشته شود.