در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، پژوهشگران کشور ما توانستند با استفاده از فناوری سیلیکون و نور خورشیدی به بازدهی تولید هیدروژن بیش از ۱۱درصد دست یابند که یکی از بیشترین بازدهی‌های حاصل‌شده در جهان از این فناوری است.
آینده‌ای روشن در عرصه صنعت انرژی با تولید هیدروژن خورشیدی
محققان پژوهشگاه دانش‌های بنیادی با ارائه طرحی درباره ساخت مولد هیدروژن خورشیدی با بازده ۱۱٫۳درصدی تبدیل انرژی خورشیدی به گاز هیدروژن توانستند کمک شایانی به صنایع شیمیایی، پالایشگاه‌ها، پتروشیمی و حمل‌ونقل کنند که در مقایسه با بازده‌های گزارش شده در سطح بین‌المللی جزء بالاترین بازده‌ها است. علاوه بر این میزان پایداری سلول‌های سیلیکونی را به میزان قابل‌توجهی برای کاربردهای تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب و تولید هیدروژن ارتقا دادند. به گفته پژوهشگر این طرح، مواد اولیه و فرایندهای مورداستفاده در این طرح ارزان‌قیمت بوده و قابلیت پیاده‌سازی در مقیاس بزرگ را دارند. این امر سبب می‌شود که با افزایش بیشتر بازدهی و پایدارسازی کامل مولد هیدروژن، امکان تولید انبوه آن وجود داشته باشد. این امر نهایتاً به کاهش هزینه هیدروژن تولیدشده منجر خواهد شد.
هیدروژن گاز مهمی در صنایع شیمیایی و پالایش است که توجه روزافزونی در صنعت حمل‌ونقل را نیز به خود جلب می‌کند. امروزه بیش از ۹۵ درصد هیدروژن با تغییر شکل متان انجام می‌شود که در آن بخار آب و گاز متان در دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد واکنش داده و گاز هیدروژن و مونوکسید کربن تولید می‌کنند. مشکل اصلی این فناوری این است که فقط در حجم تولید بالا اقتصادی است و به‌علاوه طی آن مونوکسید کربن تولید می‌شود که آلودگی محیط‌زیست را به همراه دارد. روش دیگر تولید هیدروژن، الکترولیز آب است که چند درصد از هیدروژن مصرفی در جهان توسط آن تولید می‌شود. چالش فناوری الکترولیز، قیمت بالای کاتالیست‌های مورداستفاده در آن و هزینه بالای برق در مقایسه با گاز طبیعی است.
علی دبیریان پژوهشگر پژوهشگاه دانش‌های بنیادی و مدیر این طرح گفت: «راه‌کاری که در این پژوهش به آن پرداخته شده است بر دو محور استوار است: ۱- سنتز نانوکاتالیست‌های پایه نیکل و آهن که عملکرد قابل‌مقایسه و در بعضی موارد بهتر از کاتالیست‌های پلاتین و ایریدیوم دارند که به‌طور سنتی در الکترولیز آب استفاده می‌شود. ۲- ساخت ماژول‌های خورشیدی سیلیکونی مناسب و پایدارسازی آن‌ها در آب برای تأمین برق موردنیاز الکترولیز از نور خورشید. در این طرح از فناوری خورشیدی سیلیکونی استفاده شده است که با قیمت مناسب و مقیاس تولید بالا در دسترس است. سلول خورشیدی سیلیکونی به دلیل جذب مطلوب نور خورشید، رسانایی الکتریکی مؤثر برای انتقال حامل‌های بار و نیز ارزان‌قیمت‌بودن و سازگاری با محیط زیست یکی از بهترین مواد به عنوان نیمه‌هادی الکترودهای سلول فوتوالکتروشیمیایی است. اصلی‌ترین چالش فناوری سلول‌های خورشیدی سیلیکونی برای استفاده به عنوان الکترودهای تولید هیدروژن خورشیدی، عدم پایداری آن‌ها در محلول‌های آبی است. در این طرح، شبکه‌ی نقره‌ای سطح سلول خورشیدی سیلیکونی استاندارد با فلز مس جایگزین شده است که علاوه بر پایداری بیشتر در محلول‌های آبی، ارزان‌قیمت نیز هست. علاوه بر آن با لایه‌نشانی نانوکاتالیست مبتنی بر فلزات ارزان‌قیمت نیکل و آهن بر روی فلز مس، خواص کاتالیستی الکترود بهبود یافته است. این نانوصفحه‌ها دارای سطح فعال مؤثری با الکترولیت هستند و موجب افزایش بازده تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن در سامانه نهایی می‌شوند.»
به گفته وی هیدروژن ماده مهمی در صنایع پالایشی و پتروشیمی است. تولید بنزین یورو ۵ در پالایشگاه‌های کشور، محصول واکنش‌های شیمیایی خاصی است که یک عنصر مهم آن‌ها هیدروژن است که در پالایشگاه توسط واحد رفرمینگ (reforming) تولید می‌شود. در تولید کود اوره نیز هیدروژن در قالب آمونیاک نقش اساسی دارد. هیدروژن علاوه بر صنایع شیمیایی، به عنوان یک حامل انرژی با قابلیت ذخیره انرژی برای مدت‌های طولانی نقش روزافزونی در صنعت انرژی پیدا می‌کند. این امر راه را برای استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودرو در صنعت حمل‌ونقل هموار می‌کند. لازم به ذکر است که فناوری استفاده از هیدروژن در خودرو، فناوری بالغی است و خودروسازهای مطرح جهان مدل‌های مختلفی در بازار دارند که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند.
دبیریان با اشاره به قابل‌تجاری‌شدن این طرح گفت: «نمونه‌های اولیه ساخته شده در این طرح ابعاد ۲۰ سانتی‌متر مربع دارند. فرایندهای ساخت ماژول‌های ۱۶۰۰ سانتی‌متر مربعی نیز با همکاری یکی از شرکت‌های داخلی در دست انجام است. از دیدگاه تجاری‌سازی، فناوری در حال حاضر بلوغ کافی برای تولید هیدروژن در مقیاس چند مترمکعب در سال را دارد. این مقیاس تولید هیدروژن برای کاربری در مراکز درمانی و پژوهشی مناسب است، ضمن اینکه با توجه به دسترسی ما به منابع آب خزر و خلیج‌فارس و نیز با توجه به میزان ساعات آفتابی مناسب در کشور، به صورت کلی فناوری‌های مربوط به انرژی خورشیدی از جمله تولید هیدروژن خورشیدی می‌تواند آینده‌ای روشن را در عرصه صنعت انرژی برای ما رقم بزند. از طرفی با تلاش‌های پژوهشگران دانشگاه‌ها و پژوهشگاه‌های کشور، زمینه علمی مساعدی در کشور برای پرداختن به این حوزه فراهم شده و برای اجرایی کردن طرح‌های صنعتی تجاری نیاز به حمایت از این گونه طرح‌هاست که بتوان دانش فنی و علمی موجود را به صنعت مرتبط ساخت.»
محقق پژوهشگاه دانش‌های بنیادی در ادامه گفت: «در کشورهای مختلف به‌ویژه ژاپن، آلمان و آمریکا سرمایه‌گذاری تحقیقاتی زیادی در زمینه هیدروژن شده است. به عنوان مثال برنامه تحقیقاتی JCAP در آمریکا با بودجه‌ای حدود ۱۲۰ میلیون دلار در این زمینه جریان داشته و اخیراً نیز تمدید شده است. ما نیز برای ادامه طرح مذاکراتی با گروه‌هایی در آلمان، سوئیس و چین در حال انجام داریم. یکی از برنامه‌های ما ساخت مولدهای هیدروژنی در ابعاد بزرگ‌تر است که بر پایه سلول‌های سیلیکونی مقیاس صنعتی (ابعاد ۶ اینچ) استوار است. در این مولد، بهینه‌سازی‌های مهندسی در زمینه ساخت سلول الکتروشیمیایی به هدف کاهش تلفات و افزایش پایداری و بازدهی انجام خواهد شد. هدف ما دسترسی به بازدهی تبدیل نور خورشید به هیدروژن بیش از ۱۵درصد است.»
این کار پژوهشی با همکاری دکتر علی دبیریان و دکتر بهروز افتخاری‌نیا پژوهشگران پسادکترای پژوهشگاه دانش‌های بنیادی و حسین پزشکی کارشناس‌ارشد و دستیار پژوهشی از دانشگاه خوارزمی تهران انجام شده و در قالب مقاله‌ای با عنوان Unassisted Water Splitting Using Standard Silicon Solar Cells Stabilized with Copper and Bifunctional NiFe Electrocatalysts در مجله ACS Applied Materials & Interfaces با ضریب تأثیر ۸٫۷۵۸ (سال ۲۰۲۰) به چاپ رسیده است.
