پژوهشگران با توسعه نوعی نانوفتوکاتالیست مبتنی بر آئروژل، موفق شدند در یک راکتور آزمایشگاهی، تولید هیدروژن را با قیمت پایین انجام دهند.
تولید هیدروژن با قیمت بسیار پایین در مقیاس آزمایشگاهی انجام شد
آئروژل‌ها به‌عنوان سبک‌ترین مواد جامد جهان، ترکیبات خارق‌العاده‌ای هستند که بیش از ده‌ها بار رکوردهای جهانی گینس را ثبت کرده‌اند.
پروفسور مارکوس نیدربرگ از آزمایشگاه مواد چند منظوره در ETH زوریخ مدتی است که با این مواد خاص کار می‌کند. آزمایشگاه او در حوزه آئروژل‌های متشکل از نانوذرات نیمه هادی بلوری تخصص دارد. او می گوید: «ما تنها گروهی در جهان هستیم که می توانیم این نوع آئروژل را با این کیفیت بالا تولید کنیم.»
یکی از کاربردهای آئروژل های مبتنی بر نانوذرات به‌عنوان فوتوکاتالیست است. این دسته از مواد می‌تواند یک واکنش شیمیایی را با کمک نور خورشید فعال کرده یا تسریع کند، که از آن جمله می‌توان به تولید هیدروژن اشاره کرد.
ماده انتخابی برای فوتوکاتالیست‌ها دی اکسید تیتانیوم (TiO2) است که یک ماده نیمه هادی بوده اما این یک نقطه ضعف بزرگ دارد، دی اکسید تیتانیوم می‌تواند تنها بخش از UV نور خورشید را جذب کند که این مقدار فقط حدود ۵ درصد از طیف نور خورشید است. اگر قرار است دی اکسید تیتانیوم فوتوکاتالیست کارآمد و از نظر صنعتی مفید باشد، باید بتواند از طیف وسیع‌تری از طول موج‌ها استفاده کند.
به همین دلیل است که محققان این پروژه به دنبال راهی جدید برای بهینه‌سازی یک آئروژل ساخته شده از نانوذرات TiO2 بوده است. آنها ایده درخشانی داشتند، اگر آئروژل نانو ذره TiO2 با نیتروژن دوپ شود به گونه‌ای که اتم‌های اکسیژن موجود در ماده با اتم های نیتروژن جایگزین شوند، آئروژل می‌تواند بخش‌های قابل مشاهده بیشتری را جذب کند. بعد از دوپینگ، ساختار متخلخل آئروژل دست نخورده باقی می‌ماند. نتایج این یافته‌ها در نشریه Applied Materials & Interfaces منتشر شده است.
محققان ابتدا آئروژل را با استفاده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و مقادیر کمی از فلز نجیب پالادیوم تولید کردند که نقش کلیدی در تولید فتوکاتالیستی هیدروژن دارد. سپس این آئروژل را در یک رآکتور قرار دادند و به آن گاز آمونیاک تزریق کردند. این امر باعث شد تا اتم‌های نیتروژن مجزا خود را در ساختار بلوری نانوذرات دی اکسید تیتانیوم جاسازی کنند.
برای آزمایش اینکه آیا یک آئروژل اصلاح شده به این روش، واقعاً کارایی واکنش شیمیایی تولید هیدروژن از متانول و آب را افزایش می‌دهد، کوون و همکارانش یک راکتور ویژه ساختند که مستقیم آئروژل را در آن قرار دادند. سپس بخار آب و متانول را در راکتور وارد کرده و سپس آنها را در معرض نور دو چراغ LED قرار دادند. مخلوط گازی از طریق منافذ آئروژل پخش می‌شود و در آنجا به هیدروژن تبدیل می‌شود.
آنها آزمایش را پس از پنج روز متوقف کردند، در حالی که تا آن زمان، واکنش پایدار بود و به‌طور مداوم در سیستم آزمایش ادامه می‌یافت. نیدربرگر می‌گوید: «این روند احتمالاً برای مدت طولانی‌تری پایدار می‌ماند. با توجه به کاربردهای صنعتی، مهم است که این فرآیند طولانی‌مدت پایدار باشد.»
محققان از نتایج این واکنش نیز راضی بودند. افزودن فلز نجیب پالادیوم راندمان تبدیل را به طور قابل توجهی افزایش داد. استفاده از آئروژل‌ها با پالادیوم تا ۷۰ برابر بیشتر از استفاده از آئروژل‌هایی که فاقد آن بودند، هیدروژن تولید کرد.
این آزمایش در درجه اول به‌عنوان یک مطالعه امکان‌سنجی بود. به‌عنوان یک کلاس جدید از فوتوکاتالیست‌ها، آئروژل‌ها ساختار سه‌بعدی استثنایی ارائه می‌دهند و علاوه بر تولید هیدروژن، پتانسیل تولید مواد گازی دیگری نیز دارند. در مقایسه با الکترولیز که امروزه استفاده می‌شود، فوتوکاتالیست‌ها این مزیت را دارند که می‌توان از آنها برای تولید هیدروژن فقط با استفاده از نور، نه جریان برق، استفاده کرد.
