یک تیم تحقیقاتی از موسسه ملی تحقیقات علمی (INRS) در کانادا، با همکاری محققان فرانسوی ICPEES (آزمایشگاه تحقیقاتی مشترک CNRS-دانشگاه استراسبورگ) اقدام به انجام پروژه‌ای کردند تا راه را برای تولید هیدروژن سبز هموار کنند. آنها از نسخه مهندسی شده TiO2 استفاده کردند و نتایج کار خود را در نشریه Energy Materials and Solar Cells به چاپ رساندند.
یک قدم نانویی برای توسعه خودرو‌هایی که با هیدروژن کار می‌کنند
هیدروژن توسط بسیاری از کشورهای سازمان همکاری اقتصادی و توسعه (OECD) به‌عنوان یک بازیگر اصلی در حرکت به سوی صنایع و بخش‌های بدون آلودگی کربن در نظر گرفته شده است. به گفته علی الخاکانی، استاد INRS، ایالت کِبِک می‌تواند از نظر راهبردی موقعیت خود را در این بخش انرژی تثبیت کند. با کمک نانومواد با عملکرد بالا، ما می‌توانیم بهره‌وری شکستن مولکول آب را برای تولید هیدروژن افزایش دهیم. این سوخت «تمیز»، برای کاهش انتشار گاز گلخانه‌ای در بخش حمل و نقل عمومی می‌تواند موثر باشد. سوخت هیدروژنی در حال حاضر در چندین کشور اروپایی و چین در حال بهره‌برداری است. اتوبوس‌های مجهز به این فناوری، به جای گازهای گلخانه‌ای آب تولید می‌کنند.»
مدت‌هاست که شکستن مولکول‌های آب به اکسیژن و هیدروژن توسط الکترولیز انجام می‌شود. با این حال، الکترولیزرهای صنعتی بسیار انرژی مصرف می‌کنند و نیاز به سرمایه‌گذاری‌های کلانی دارند. محققان INRS و ICPEES از فتوسنتز الهام گرفتند. آنها الکترودهای مهندسی شده خاصی را تولید کرده‌اند که مولکول‌های آب را در زیر نور خورشید می‌شکنند.
این گروه تحقیقاتی برای استفاده بیشتر از انرژی خورشیدی، TiO2 را انتخاب کردند که نیمه‌هادی است و به حساسیت به نور در برابر اشعه ماورا بنفش مشهور است. پرتوهای فرابفنش تنها ۵ درصد از تابش خورشید را تشکیل می‌دهند. این تیم با استفاده از تخصص خود ابتدا ترکیب اتمی TiO2 را تغییر داده و حساسیت به نور آن را به نور مرئی افزایش داده‌اند. آنها توانستند الکترودهایی تولید کنند که بتواند تا ۵۰ درصد از نور خورشید را جذب کند.
محققان سپس با دستکاری ساختار الکترود در مقیاس‌نانو، شبکه‌ای از نانولوله‌های TiO2 را تشکیل دادند که ساختاری شبیه کندوی عسل دارد. این روش سطح موثر الکترود را با ضریب ۱۰۰۰۰۰ یا بیشتر افزایش داد.
الخاکانی می‌گوید: «ساختار نانو نسبت سطح به حجم ماده را به حداکثر می‌رساند. به‌عنوان مثال، نانوساختارهای TiO2 می‌توانند مساحت حداکثر ۵۰ مترمربع در گرم را ارائه دهند. یعنی یک گرم از این ماده مساحتی در حد یک آپارتمان کوچک داشته باشد!»
مرحله آخر توسعه این الکترود «نانو دکوراسیون» آن‌هاست. این فرآیند شامل رسوب نانوذرات کاتالیزور روی شبکه نانولوله TiO2 است تا کارایی تولید هیدروژن افزایش یابد. محققان برای نانو دکوراسیون، از روش رسوب فرسایشی لیزر استفاده کردند، زمینه‌ای که الخاکانی در ۲۵ سال گذشته در آن مهارت کسب کرده است. با این کار نه تنها چالش کنترل اندازه، پراکندگی و نشست نانوذرات کاتالیست روی ماتریس نانولوله TiO2 حل شد، بلکه گزینه‌های دیگری برای کاتالیزورهای کلاسیک ایریدیوم و پلاتین پیدا شد.
در این تحقیق از اکسید کبالت (CoO)، ماده‌ای که در کبک کاملاً در دسترس است، به‌عنوان کاتالیزورهای موثر برای تقسیم مولکول‌های آب استفاده شد. مقایسه دو ماده نشان داد که نانوذرات CoO باعث افزایش ده برابری بازده فوتوکاتالیستی در این الکترودهای نانو تزئین شده جدید در زیر نور مرئی در مقایسه با نانولوله‌های برهنه می‌شود.