پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان (IASBS) در همکاری با محققان دانشگاه پلیتکنیک والنسیا موفق شدهاند نوعی نانوکامپوزیت مغناطیسی طراحی کنند که میتواند گاز بسیار سمی H₂S را با بازده بالا به هیدروژن تبدیل کند. در این پژوهش، یک ساختار نوین پیوندگاه p–n از دو نیمهرسانای CoMn₂O₄ و MgFe₂O₄ ساخته شد و سپس با کمک نانولولههای کربنی، کارایی فتوکاتالیستی و ویژگیهای مغناطیسی آن به شکل چشمگیری تقویت گردید. حضور CNT در این ترکیب باعث شد بازترکیب الکترون–حفره کاهش یابد، انتقال بار تسهیل شود و سطح فعال ماده افزایش پیدا کند؛ عواملی که در نهایت توان تولید هیدروژن را تا حدود ۶۰ درصد بالا برد. این دستاورد، راهی کمهزینه و سازگار با محیط زیست برای تبدیل مواد خطرناک به سوخت پاک ارائه میدهد.
استفاده از کاتالیست حاوی نانولولهکربنی برای تبدیل گازهای خطرناک به هیدروژن پاک
تبدیل آلایندههای خطرناک به منابع انرژی ارزشمند یکی از چالشهایی است که در دهههای اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه انرژی و محیط زیست را به خود جلب کرده است. گاز هیدروژن سولفید (H₂S) که در صنایع نفت و گاز، تصفیهخانهها و فرآیندهای شیمیایی تولید میشود، از جمله آلایندههای بسیار سمی، خورنده و تهدیدکننده محیط زیست است. مدیریت این گاز هزینهبر و دشوار است، اما از سوی دیگر در صورت تجزیه و تبدیل کنترلشده، میتواند به یکی از پاکترین و پرکاربردترین حاملهای انرژی یعنی هیدروژن تبدیل شود. این دوگانگی، ضرورت توسعه فناوریهای نوآورانه برای تصفیه و بازیافت H₂S را بیش از پیش برجسته میکند.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان با همکاری گروهی از محققان دانشگاه پلیتکنیک والنسیا، شورای تحقیقات علمی اسپانیا، موفق شدهاند یک ماده فتوکاتالیستی کاملاً جدید با ساختاری نانوساختاری و ویژگیهای مغناطیسی طراحی کنند که عملکرد بسیار بالایی در تبدیل H₂S به هیدروژن تحت تابش نور از خود نشان میدهد. این کار با هدف توسعه یک مسیر کمهزینه، پایدار و قابلمقیاسپذیر برای تولید هیدروژن انجام شده و یافتههای آن نشان میدهد که میتوان با تکیه بر مواد زمینوفور و فناوری نانو، راهحلی مؤثر و صنعتی برای این چالش ارائه داد.
نوآوری اصلی این پژوهش، ساخت یک نانوکامپوزیت مغناطیسی مبتنی بر پیوندگاه p–n میان دو نیمهرسانا است: CoMn₂O₄ (بهعنوان نیمهرسانای p-type) و MgFe₂O₄ (بهعنوان نیمهرسانای n-type). ایجاد پیوندگاه p–n در مقیاس نانو، موجب جداسازی بهتر الکترونها و حفرهها پس از برانگیختگی نوری میشود و از بازترکیب سریع آنها جلوگیری میکند. بازترکیب الکترون–حفره یکی از مهمترین موانع در افزایش بازده فتوکاتالیستهاست و کنترل آن یکی از نقاط کلیدی پژوهشهای نانوی انرژی محسوب میشود.
با این حال، نقطه عطف پژوهش زمانی رقم میخورد که تیم تحقیقاتی از نانولولههای کربنی (CNT) برای تقویت عملکرد این ساختار استفاده میکند. حضور CNT چند اثر همزمان ایجاد کرده است: نخست، افزایش قابل توجه مساحت سطح فعال؛ دوم، ایجاد مسیرهای رسانای سریع برای انتقال بار؛ و سوم، بهبود جداسازی زوجهای الکترون–حفره. این سه عامل باعث شدهاند که فرآیند تبدیل H₂S به هیدروژن با کارایی بسیار بیشتری انجام شود.
بر اساس نتایج ارائهشده، بیشترین میزان تولید هیدروژن در ترکیبهایی به دست آمده که نسبت مولی نیمهرساناهای p به n برابر با ۱:۲ بوده است. افزودن CNT به این ساختار موجب شده بازده تولید هیدروژن نسبت به نمونه بدون CNT حدود ۶۰ درصد افزایش یابد؛ رقمی که در مقایسه با فتوکاتالیستهای متداول یک جهش بسیار قابل توجه محسوب میشود. بررسیهای طیفسنجی مانند EPR، PL decay و آزمونهای فوتوجریان و امپدانس نیز نشان دادهاند که حضور CNT نرخ بازترکیب الکترون–حفره را کاهش میدهد و توان ذخیره و انتقال بار را بالا میبرد.
از سوی دیگر، یکی از ویژگیهای عملیاتی مهم این نانوکامپوزیت، خاصیت مغناطیسی آن است. این ویژگی باعث میشود که پس از پایان واکنش، جمعآوری و بازیافت فتوکاتالیست با میدان مغناطیسی ساده باشد. در کاربردهای صنعتی که حجم بالای مواد و هزینههای جداسازی مطرح است، این مزیت میتواند نقش تعیینکنندهای در اقتصادیبودن فرایند داشته باشد. نتایج آزمونهای VSM و تحلیلهای XPS نیز تأیید کردهاند که CNTها نهتنها عملکرد نوری بلکه رفتار مغناطیسی ترکیب را هم بهبود دادهاند.
مشاهدات میکروسکوپی با TEM نیز وجود پیوندگاه واقعی میان فازهای p و n را در مقیاس اتمی تأیید کرده است؛ مسئلهای که اثبات میکند ساختار طراحیشده دقیقاً مطابق هدف پژوهشگران شکل گرفته و مکانیسم افزایش کارایی ریشه در مهندسی نانوساختار دارد.
بهطور کلی، این پژوهش مسیری نو برای طراحی مواد فوتوکاتالیستی آینده نشان میدهد؛ موادی که با استفاده از عناصر فراوان در طبیعت، و با کمک فناوری نانو، میتوانند آلایندههای خطرناک را به حاملهای انرژی پاک تبدیل کنند. ترکیب خصوصیات نوری، رسانشی و مغناطیسی در یک ساختار واحد و مقیاسپذیر، میتواند راه را برای توسعه راکتورهای خورشیدی صنعتی باز کند؛ سامانههایی که هم هزینههای محیط زیستی صنایع را کاهش میدهند و هم گامی به سوی اقتصاد مبتنی بر هیدروژن محسوب میشوند.
یافتههای این تیم پژوهشی نشان میدهد که افزودن نانولولههای کربنی به یک فتوکاتالیست مغناطیسی مبتنی بر پیوندگاه p–n، فراتر از یک اصلاح ساده است؛ این کار عملاً یک بستر نانویی چندوظیفهای خلق میکند که هم واکنشپذیری را افزایش میدهد، هم جداسازی بار را بهبود میبخشد، هم سطح فعال را بیشتر میکند و هم امکان بازیافت سریع را فراهم میسازد. چنین ساختارهایی میتوانند نسل جدیدی از مواد انرژی پاک را شکل دهند که برای تولید هیدروژن، تصفیه آلایندهها و توسعه فناوریهای خورشیدی پیشرفته بهکار میروند.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Highly effective CNT-based magnetic pn-junction nanocomposite photocatalyst/solar-energy material for hazmat conversion to hydrogen fuel در نشریه Composites Part B: Engineering به چاپ رسیده است.
