پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان موفق شدند با یک روش ساده و کم‌هزینه فوتوالکتروشیمی اقدام به تولید نانوکاتالیست اکسید تیتانیوم کنند. اکسید تیتانیوم یکی از فوتوکاتالیست‌های رایج بوده که از نظر بازده نوری جزء فوتوکاتالیست‌های با عملکرد بالا محسوب می‌شود.
ساخت نانوکاتالیست اکسید تیتانیوم برای تولید انرژی پاک
محمدمهدی نجف‌پور پژوهشگر گروه پژوهشی شیمی سبز پژوهشکده علوم پایه و فناوری‌های نوین دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان درباره طرح تحقیقاتی ساخت نانوکاتالیست اکسید تیتانیوم گفت: «این مقاله بخشی از یک پروژه تحقیقاتی بزرگ تر بوده است. هدف برنامه پژوهشی جامع‌تر، دستیابی به نانوفوتوکاتالیست‌ها و نانوکاتالیست‌های با کارایی بالا برای واکنش شکست آب و یا فوتوالکتروسنتز مولکول‌های حامل انرژی بوده است. در پروژه های انجام‌شده قبلی در گروه پژوهشی ما، با هدف تولید سوخت هیدروژنی، روش الکتروشیمیایی شکست آب بیشتر مورد توجه بود. ولی در کار اخیر از روش فوتوالکتروشیمی برای شکست مولکول آب استفاده شده است. این طرح قابلیت صنعتی شدن را دارد و برای تخریب آلاینده‌های آلی در پساب‌های صنعتی و تصفیه‌خانه‌های آب می‌توان از این کاتالیست بهره گرفت.»
در حال حاضر فوتوکاتالیست‌های شناخته شده متعددی وجود دارند اما رایج‌ترین ماده مؤثر، اکسید تیتانیوم نانویی است. نانوذرات بسیار مؤثرتر از مولکول‌های درشت موجود در فوتوکاتالیست‌ها عمل می‌کنند. نانوذرات اکسید تیتانیوم به عنوان فوتوکاتالیست روی بسیاری از آلاینده‌های محیط‌زیست مؤثر بوده و علاوه بر حذف، آن‌ها را به محصولات سازگار با محیط‌زیست تبدیل می‌کند.
نجف‌پور معتقد است مشکل اصلی روش‌های تهیه قبلی این نانوکاتالیست پیچیدگی و تک‌فاز بودن است. هدف اصلی این طرح ساخت فوتوکاتالیست فاز مخلوط اکسید تیتانیوم است تا با نمونه تجاری P25 قابل‌رقابت بوده و همچنین از مسیر تهیه ساده‌تری به‌دست آید. وی همچنین مهم‌ترین دستاوردهای این پروژه را تهیه اکسید تیتانیوم با فاز مخلوط از طریق فرآیند ساده آندیزه کردن در ولتاژ بالا در محلول قلیایی و تهیه فوتوکاتالیست با فاز مخلوط مشابه نمونه تجاری P25 می‌داند.
پژوهشگر پژوهشکده تغییر اقلیم و گرمایش زمین دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان گفت: «بنا به آمارهای موجود، نیاز بشر به سوخت‌های فسیلی رو به افزایش بوده و در عین حال منابع سوخت‌های فسیلی رو به پایان است. همچنین استفاده افسارگسیخته از سوخت‌های فسیلی، آلودگی محیط‌زیست وهمچنین افزایش دمای کره زمین را به همراه داشته است. به همین دلیل استفاده از انرژی خورشید می‌تواند یکی از بهترین روش‌ها برای چیره‌شدن بر این چالش جهانی باشد. کاربرد این دستاورد در صنایع ساخت سلول‌های خورشیدی، تبدیل انرژی نور خورشید به سوخت‌های پاک و تخریب آلاینده‌های ارگانیک از طریق اکسایش فوتوالکتروشیمیایی است.»
وی در ادامه گفت: «کشور ما در بیشتر روزهای سال دارای هوای آفتابی است، بنابراین با سرمایه‌گذاری در مراحل تحقیقاتی بعدی پروژه، می‌توان به نتایج چشمگیرتری در زمینه تبدیل انرژی خورشید به سوخت‌های پاک دست یافت. همچنین در ادامه طرح می‌توان با بررسی و امکان‌سنجی جذب دی‌اکسیدکربن و گازهای آلاینده دیگر در محلول‌های آبی، آن‌ها را به صورت فوتوالکتروشیمیایی به مواد شیمیایی کم‌خطرتر و همچنین مفیدتر کاهش داد. به این ترتیب هم می‌توان از آلودگی هوا کاست و هم از طریق کاهش فوتوالکتروشیمیایی دی‌اکسیدکربن به فرمالدئید، فرمیک اسید و نهایتاً متانول، انرژی خورشید را در مولکول‌های شیمیایی ذخیره‌سازی نمود.»
محمدمهدی نجف‌پور درباره نتایج مهم این پژوهش گفت: «هزینه ساخت کاتالیست به علت عدم استفاده از پیش‌ماده‌های گران‌قیمت بسیار پایین است و روش ساخت بسیار ساده و سریع است (آندیزه شدن به مدت ۱۰ دقیقه)، همچنین خاصیت نانویی این نانوکاتالیست از طریق تولید مسیرهای بازتابشی مضاعف باعث افزایش جذب نور در ناحیه مریی و سطح فعال بسیار بیشتر می‌شود که نقش اصلی در بهبود سرعت واکنش شکست آب را ایفا می‌کند.»
وی در پایان گفت: «هرچند این طرح تحقیقاتی در زمینه تبدیل انرژی خورشید می‌تواند در مراحلی همچون تصفیه آلاینده‌های آلی به مقیاس صنعتی و تجاری برسد اما ممکن است هنوز تا صنعتی و تجاری‌شدن برای اکسایش آب به صورت فوتوالکتروشیمیایی با چالش مواجه باشد. اما نکته اصلی در این امر نهفته است که در آینده نه‌چندان دور با اتمام منابع سوخت‌های فسیلی یکی از مهم‌ترین فناوری‌های موردنیاز برای کشور خواهد بود. پس بصیرت و دوراندیشی برای سرمایه‌گذاری مالی و پشتیبانی و حمایت از هم‌اکنون می‌تواند کمک مهمی برای کشور در عبور از این مرحله باشد.»
این پژوهش حاصل همکاری دکتر محمدمهدی نجف‌پور، مهدی خسروی و هادی فیضی پژوهشگران دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان و دکتر بهزاد حقیقی از دانشگاه شیراز است. این طرح مقاله‌ای است با عنوان A simple, facile and low-cost method for the preparation of mixed-phase titanium oxide: Toward efficient photoelectrochemical water oxidation که در مجله New Journal of Chemistry با ضریب تأثیر ۳٫۰۶۹ ( سال ۲۰۱۹) منتشر شده است.
