تولید هیدروژن از آب دریای خلیج فارس

روش تولید الکتروشیمیایی هیدروژن از طریق شکافت آب روشی پاک برای تولید هیدروژن خالص است که برخلاف روش‌های سنتی مشکلات تولید گازهای گلخانه‌ای را ندارد. از طرفی، استفاده از آب دریا مزیت‌هایی مانند داشتن منابع فراوان و پایدار، کمک به تصفیه­ سازی آب و بدلیل وجود نمک‌های حل شده در آن، رسانایی یونی بیشتری را نسبت به آب مقطر دارا است. برای دستیابی به یک سیستم پایدار تولید الکتروشیمیایی هیدروژن نیاز است که از الکتروکاتالیست‌هایی استفاده شود که از عناصر ارزان قیمت و غیر نجیب تولید شده باشند و در طولانی مدت عملکرد پایداری را از خود نشان دهد و همچنین برای رسیدن به چگالی جریان‌های بالا و کار در شرایط صنعتی نیاز به صرف انرژی کمی داشته باشند. از طرفی، برای غلبه به مشکل خوردگی ناشی از یون کلر و ناخالصی‌های موجود در آب دریا، نیاز است که الکترود سنتز شده مقاومت به خوردگی مطلوبی را نیز دارا باشد. از روش‌های اصلی بهبود خواص کاتالیستی استفاده از عناصر با خواص ذاتی مطلوب مانند نیکل و کبالت و منگنز است که می‌توانند با ایجاد خاصیت هم‌افزایی و با افزایش مسیرهای عبوری الکترون‌ها، رسانایی الکتریکی در ساختار را حین انجام واکنش تسریع کنند. روش دیگر نیز بهره‌گیری از مهندسی سطح است. در این روش، با بهره‌گیری از مورفولوژی نانو/میکرو با زبری زیاد مانند نانوصفحه، نانومخروط و نانوسوزن می‌توان علاوه بر ایجاد یک سطح  بسیار متخلخل و در نتیجه با مساحت الکتروشیمیایی بالا،  سبب جدایش سریع حباب‌های گازی به محض تشکیل شد و همچنین باعث در معرض قرار گرفتن دایمی مکان‌های فعال الکتروکاتالیست با الکترولیت جهت انجام واکنش‌های الکتروشیمیایی شد.

در این پژوهش، ابتدا لایه‌ی Ni-Se روی فوم نیکل توسط روش کرونوپتانسیومتری رسوب داده شد و در مرحله‎‌ی بعد ساختار Mn-Co با روش ولتامتری سیکلی در سیکل‌های متفاوت بر زیر لایه Ni-Se@Ni Foam رسوب داده شد. در این پژوهش، از روش‌های مختلف الکتروشیمیایی مانند روبش ولتامتری خطی (LSV)، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) جهت ارزیابی مقدار هیدروژن تولید شده در آب دریای خلیج فارس استفاده شد. همچنین از روش‌های مختلف شناسایی مواد همچون طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XAS)،طیف بینی جذبی پرتو ایکس (XPS)، میکروسکوپ الکترونی عبور (FE-TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-TEM)، و آنالیز طیف‌سنجی پراش پرتو ایکس (EDS) برای مشخصه‌یابی سطح و  خصوصیات الکترونی الکتروکاتالیست Mn-Co@Ni-Se@Ni foam استفاده شد. همچنین از محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) نیز برای ارزیابی عمیق‌‌تر این الکتروکاتالیست استفاده شد. بطور خلاصه مشخص شد که اضافه شدن لایه Mn-Co به Ni-Se با ایجاد خاصیت هم‌افزایی بین دوساختار سبب بهبود خواص کاتالیستی می‌شود و از طرفی می‌تواند به طرز چشمگیری سبب افزایش مکان‌های فعال کاتالیستی برای انجام واکنش‌ها شود. الکتروکاتالیست Mn-Co@Ni-Se@Ni foam توانست عملکرد پایداری در طولانی مدت (۲۰۰ ساعت) از خود نشان دهد. همچنین نسبت به عملکرد الکتروکاتالیست‌هایی که اخیرا برای آب دریا گزارش شده‌اند عملکرد بهتری از خود نشان داد و برای رسیدن به چگالی‌جریان بالا (J>500 mA cm-2) نیاز به اضافه پتانسل کمتری داشت. در نهایت، این پروژه می­تواند نوید آینده امیدوارکننده­‌ای جهت تولید هیدروژن از آب دریای خلیج فارس باشد.

این پروژه توسط همکاری مشترک بین‌المللی گروهی از پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس (رضا انداوه، میثم ملکی)، دانشگاه Southwest Jiaotong (Jianping Ai، Kun Wang، Jinyang Li)، دانشگاه Padova (دکتر عبدالوهاب سیف) تحت نظر دکتر قاسم براتی دربند عضو هیات‌علمی دانشگاه فردوسی مشهد و دکتر علیرضا صبور روح‌اقدم عضو هیات علمی دانشگاه تربیت مدرس به سرانجام رسید.

این مقاله‌ی تحقیقاتی در نشریه Applied Catalysis B: Environmental با ضریب تاثیر ۲۴٫۳۱۹ در انتشارات Elsevier در تاریخ ۳۱ دسامبر ۲۰۲۲ به چاپ رسیده است. برای مشاهده اصل مقاله، لینک مقاله را کلیک نمایید.