تولید ارزان و پایدار هیدروژن با کمک کاتالیست‌های مقاوم به کلرید!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،با افزایش تقاضای جهانی برای انرژی پاک و نگرانی‌های فزاینده نسبت به تغییرات اقلیمی، جست‌و‌جو برای یافتن منابع جایگزین پایدار شدت گرفته است. در این میان هیدروژن به دلیل چگالی بالای انرژی و انتشار صفر کربن به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدبخش مطرح است.

به گزارش sciencedaily، یکی از روش‌های متداول تولید هیدروژن الکترولیز قلیایی آب است که بازدهی بالایی دارد و دوستدار محیط‌زیست به‌شمار می‌رود؛ اما وابستگی آن به آب شیرین مانعی جدی برای توسعه در مقیاس بزرگ محسوب می‌شود. الکترولیز آب دریا راهکاری عملی برای استفاده از منابع فراوان آبی زمین است با این حال وجود غلظت بالای یون کلرید در آب دریا موجب خوردگی سریع کاتالیست‌ها و کاهش بازدهی می‌شود و چالش بزرگی در مسیر تولید پایدار هیدروژن ایجاد می‌کند.

برای رفع این مشکل تیمی پژوهشی به سرپرستی هاه‌سونگ جانگ، استادیار دانشکده مهندسی مواد پیشرفته دانشگاه چونگ آنگ (کره جنوبی) و ژین لیو، استاد مهندسی شیمی دانشگاه علوم و فناوری چینگدائو موفق به توسعه یک الکتروکاتالیست مقاوم، پایدار و مقرون‌به‌صرفه شدند که عملکرد بالایی در محیط‌های شور از خود نشان می‌دهد.

جانگ با اشاره به چالش‌های موجود گفت: الکترولیز قلیایی آب اگرچه به‌دلیل استفاده از کاتالیست‌های فلزی غیراعیان اقتصادی به نظر می‌رسد، اما با مشکلاتی، چون کندی واکنش تکامل هیدروژن (HER) و خوردگی در شرایط واقعی روبه‌رو است که مانع تجاری‌سازی می‌شود. پژوهش ما با هدف توسعه فناوری پایدار و اقتصادی برای تولید هیدروژن پاک، به دنبال غلبه بر این موانع کلیدی انجام شده است.

بیشتر بخوانید

الیاف نانویی خودترمیم‌شونده برای پوشیدنی‌های هوشمند

راز تازه نیروگاه سلول‌ها کشف شد!

نانوکاتالیست‌های تولید هیدروژن سبز ساخته شد!

نتایج این پژوهش که در تاریخ ۷ اوت ۲۰۲۵ در نشریه Advanced Functional Materials منتشر شد، نشان می‌دهد تیم تحقیقاتی یک کاتالیست مبتنی بر ر uthenium (Ru) طراحی کرده‌اند که میان فعالیت پایداری و مقاومت در برابر خوردگی ناشی از کلرید تعادل ایجاد می‌کند؛ محدودیت‌هایی که پیش‌تر در کاتالیست‌های متداول پلاتینیوم و Ru مشاهده می‌شد.

این گروه با بهره‌گیری از راهبرد پیرولیز به‌واسطه g-C ۳ N ۴ موفق به سنتز نانوخوشه‌های Ru بر پایه کربن نیتروژن‌دار شدند که ساختاری دوفازی بلوری–بی‌شکل (a/c-Ru@NC) ایجاد می‌کند. در این فرآیند، g-C ۳ N ۴ هم‌زمان نقش منبع نیتروژن و داربست برای تثبیت یون‌های Ru³⁺ را ایفا می‌کند. طی پیرولیز، گاز‌های کاهنده آزادشده از g-C ۳ N ۴ یون‌های Ru³⁺ را درجا به نانوذرات فلزی Ru تبدیل می‌کنند و پیوند‌های Ru–N موجب بی‌نظمی در هسته و ایجاد فاز بی‌شکل می‌شوند. در سطح نیز اتم‌های Ru بلورین می‌شوند و پیوندی پایدار میان فاز بلوری و بی‌شکل شکل می‌گیرد. این معماری منحصر‌به‌فرد موجب پراکنش یکنواخت نانوذرات (حدود ۲٫۲۷ نانومتر) ایجاد سایت‌های فعال الکترون‌دوست و اعمال کرنش شبکه‌ای فشرده می‌شود.

آزمون‌های الکتروشیمیایی عملکرد برجسته این کاتالیست را نشان داد: در محلول ۱ مولار KOH، ساختار a/c-Ru@NC تنها به ۱۵ میلی‌ولت بیش‌پتانسیل در چگالی جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع نیاز داشت و پایداری خود را طی بیش از ۲۵۰ ساعت حفظ کرد. همچنین در شرایط شبیه‌سازی‌شده آب دریا، این کاتالیست تنها با کاهش ۸ میلی‌ولت در عملکرد، بیش از ۱۰۰ ساعت به‌طور پایدار عمل کرد؛ درحالی‌که کاتالیست‌های تجاری Pt/C و Ru/C عملکرد ضعیف‌تری داشتند.

مزیت اصلی این سامانه در ساختار بلوری–بی‌شکل آن نهفته است که به‌طور هم‌افزا سایت‌های فعال فراوان و انتقال الکترونی بهینه را فراهم می‌کند. علاوه بر این بستر کربنی نیتروژن‌دار مانع از اکسیداسیون و تجمع ذرات Ru می‌شود و در نهایت مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر خوردگی کلرید ایجاد می‌کند.

به گفته لیو این دستاورد امکان تولید مستقیم هیدروژن از آب دریا با استفاده از کاتالیست‌های مقاوم به کلرید را فراهم می‌کند و دریچه‌ای به سوی بهره‌برداری از منابع عظیم اقیانوسی برای تولید انرژی پاک می‌گشاید. سامانه ارتقاءیافته الکترولیز قلیایی ما از نظر اقتصادی نیز بسیار کارآمد است و با فعالیت جرمی ۳۷ برابر بالاتر از کاتالیست‌های تجاری پلاتین، تولید هیدروژن را به‌مراتب مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌سازد.

این پژوهش راهبردی نوین برای مهندسی ساختار‌های دوفازی در کاتالیست‌های Ru معرفی می‌کند که هم‌زمان سه چالش اساسی فعالیت، پایداری و مقاومت در برابر خوردگی را برطرف می‌سازد.

جانگ در پایان تاکید کرد: این فناوری می‌تواند روند مقابله با تغییرات اقلیمی را تسریع کند و با فراهم کردن شرایط برای کربن‌زدایی سریع در بخش‌های حمل‌ونقل، صنعت و تولید انرژی به کاهش قابل توجه آلودگی هوا و ایجاد زیرساخت‌های پایدار انرژی کمک نماید.

بر اساس این یافته‌ها توسعه الکترولیز پایدار آب دریا مسیری عملی برای تولید هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ از منابع اقیانوسی به شمار می‌رود و می‌تواند بنیانی برای ایجاد زیرساخت جهانی انرژی پاک باشد.