کاتالیزوری ژله‌ای برای تولید سوخت‌های هیدروژنی
مجله علمی ایلیاد - کاتالیزوری جدید، مؤثر و ارزان توسط محققین دانشگاه برکلی کالیفرنیا ساخته شده که می‌تواند سوخت هیدروژن را از آب با همان کیفیت پلاتین که در حال حاضر بهترین، ولی گران‌ترین کاتالیزور برای این کار است، تولید کند. این کاتالیزور از ورق‌های نانوی کربید فلزی تشکیل شده است و بر یک ماده‌ی اولیه‌ی غافلگیر کننده تکیه دارد؛ ژلاتین؛ ماده‌ای که حالت لرزه‌ای ژله از آن نشات می‌گیرد.
«لیوی لین» پروفسور مهندسی مکانیک در دانشگاه برکلی، می‌گوید: «پلاتین بسیار گران است و بهتر است جایگزین دیگری برای آن پیدا شود. ما در حقیقت از چیزی مشابه ژله استفاده کرده‌ایم که خوردنی است و می‌توانید آن‌را با یکی از فراوان‌ترین عنصرهای روی زمین، ترکیب کرده و ماده‌ای ارزان و جدید برای واکنش‌های کاتالیزوری مهم، تهیه کنید.»
شوک الکتریکی می‌تواند پیوند بین مولکول‌های تشکیل دهنده‌ی آب را بشکند و گازهای اکسیژن و هیدروژن تولید کند. هیدروژن، گازی است که می‌تواند منبع ارزشمندی از انرژی برای استفاده در پیل‌های سوختی باشد. همچنین از گاز هیدروژن می‌توان برای کمک به نگهداری انرژی‌های دریافتی از منابعی مانند انرژی بادی و خورشیدی در زمان‌هایی که منابع این انرژی‌ها در روز‌های غیربادی و ابری رو به کاهش است، نیز استفاده کرد.
قرار دادن الکترود درون لیوان آب، برای تولید هیدروژن، روشی بسیار غیرموثر است. در ۲۰ سال گذشته، دانشمندان در جستجوی کاتالیزورهایی بوده‌اند که بتواند سرعت این واکنش را افزایش داده و همچنین در مقیاس‌های بزرگ مورد بهره‌برداری قرار گیرد. «ژینینگ زنگ» به عنوان فارغ‌التحصیل دانشگاه برکلی و نویسنده‌ی اصلی مقاله، می‌گوید: «در صنعت هنوز از مرسوم‌ترین راه‌ها در تولید هیدروژن استفاده می‌شود. به هر حال در این روش دی‌اکسیدکربن نیز به عنوان ماده‌ی جانبی تولید می‌شود. در دهه‌ی گذشته به خاطر تقاضای جهانی برای انتشار کمتر گازهای گلخانه‌ای، روش الکتروکاتالیزوری برای تولید هیدروژن در حال گسترش بوده است. توسعه‌ی یک کاتالیزور موثر و ارزان برای این روش بسیار ارزشمند بوده و دارای مزایای اجتماعی و اقتصادی فراوانی است.»
محققین برای ساختن این کاتالیزور از روشی مشابه تهیه‌ی ژله استفاده کرده‌اند. ژلاتین و یون‌های فلزی مولیبدن، تنگستن و یا کبالت، با آب مخلوط شده و سپس خشک می‌شود. لین می‌گوید: «ما معتقد هستیم که ژلاتین در هنگام خشک شدن ساختاری لایه‌ای ایجاد می‌کند. یون فلزی با ژلاتین حرکت می‌کند و وقتی ژلاتین در حال شکل‌گیری است، یون فلزی نیز به صورت لایه‌های تخت در می‌آید و در واقع همین صفحات صاف هستند که به ژله حالت آینه‌ای در سطح را می‌دهند.»
گرم کردن مخلوط تولید شده تا دمای ۶۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد، می‌تواند یون‌های فلزی را تحریک کند تا با اتم‌های کربن موجود در ژلاتین واکنش داده و تشکیل صفحات بزرگ با ضخامت نانومتری از کربید فلزی را بدهند. ژلاتین‌هایی که واکنش نداده‌اند، می‌سوزند و از بین می‌روند.
محققین کارایی این کاتالیزور را با قرار دادن آن درون آب و برق‌دار کردن آن امتحان کرده‌اند. با مقایسه‌ی این ورقه‌ها با یکدیگر، مشاهده می‌شود که کربید مولیبدن با بهترین کارایی، مولکول‌های آب را به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌کند. در رتبه‌ی بعدی، کربید تنگستن قرار می‌گیرد و کربید کبالت نیز رتبه‌ی آخر را کسب می‌کند؛ زیرا که لایه‌های نازک را مانند دو ماده‌ی دیگر ایجاد نمی‌کند. ترکیب یون‌های مولیبدن با مقدار کمی کبالت می‌تواند عملکرد کاتالیزور را افزایش دهد. لین می‌گوید: «ممکن است شکل‌های دیگری از کربید دارای عملکرد بهتری باشند.»
شکل دوبعدی کاتالیزور، بهترین دلیلی است که نشان می‌دهد چرا این کاتالیزور تا این اندازه موفق عمل می‌کند. موفقیت به‌دست آمده به این دلیل است که آب باید در تماس با سطح کاتالیزور باشد تا عمل شکست انجام شود و وجود سطح تماس بزرگ در ورقه‌های ایجاد شده نشان می‌دهد که کربیدهای فلزی به نسبت وزنی که دارند، کارایی بالایی دارند. به گفته‌ی محققین، از آن‌جا که روش ساخت این کاتالیزور بسیار ساده است، می‌توان به سادگی آن‌را در مقیاس صنعتی تولید کرد.
لین می‌گوید: «ما دریافتیم که عملکرد کاتالیزور ساخته شده بسیار نزدیک به عملکرد بهترین کاتالیزورهای ساخته شده از پلاتین و کربن است. این نتیجه بدین معنی است که می‌توان کاتالیزور گران قیمت پلاتینی را با ماده‌ی جدیدی جایگزین کرد که می‌تواند به سادگی در مقیاس صنعتی تولید شود.» نویسندگان این مقاله از دانشگاه برکلی، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، دانشگاه جیائو تونگ شانگهای، موسسه‌ی شنژن و ارتش ایالات متحده بوده‌اند.
مقاله‌ی این محققین درمجله‌ی Advanced Materials به چاپ رسیده است.
نوشته: کارا منکی
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد