پژوهش‌گران در آمریکا توانسته‌اند تنها با به‌کارگیریِ نورِ خورشید، نانوبلورها و یک کاتالیزگرِ ارزان از جنسِ نیکل، سوختِ هیدروژنی بسازند. فرآیندِ فوتوسنتزی که در این کارِ نوینِ پژوهشی به صورتِ دست‌ساز ایجاد شده و به‌کارگرفته می‌شود، نخستین فرآیند از نوعِ خود است که می‌تواند به مدتِ چندین هفته به طورِ پیوسته سوخت تولید کند، بدونِ آن‌که روندِ تولیدِ سوختِ آن رفته‌رفته کند شود. در نتیجه،‌ این کارِ پژوهشی در زمینه‌ی انرژی‌های سبز (انرژی‌های پاک) و نیز برخی فرآیندهای صنعتیِ خاص مانندِ تولیدِ آمونیاک، کاربردهای بسیار مهم و قابلِ توجهی دارد.

فوتوسنتز فرآیندی‌ست که در طیِ آن، گیاهان تابشِ خورشید را جذب کرده و آن را به انرژی تبدیل می‌کنند. بیش‌ترِ سامانه‌های فوتوسنتزِ دست‌ساز و مصنوعی چنان ساخته می‌شوند که این رفتارِ طبیعی را همانندسازی کرده و با بهره‌گیری از مولکول‌های رنگ‌دانه که نور را جذب می‌کنند و رنگ‌سازه نام دارند، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کنند. در این واکنش، هیدروژن در بخشِ کاهش و اکسیژن در بخشِ اکسایش تولید می‌شود. این به اصطلاح نیم‌واکنش‌ها بخشی از فرآیندِ تبدیلِ نور به انرژی هستند اما مشکل این است که چنین فن‌آوری‌هایی ناکارآمد و کوته‌عمر هستند چراکه پرتوهای نورِ خورشید تنها در عرضِ چند ساعت، به رنگ‌دانه‌های جذب‌کننده‌ی نور آسیب رسانده و آن‌ها را نابود می‌کند.

فرآیندِ فوتوسنتزِ دست‌ساز چنین عمل می‌کند

هم‌اینک گروهی از پژوهش‌گران به سرپرستیِ Todd Krauss، Patrick Holland و Richard Eisenberg در دانش‌گاهِ روچستر، سامانه‌ی فوتوشیمیاییِ نوینی برای تولیدِ هیدروژن ارایه کرده‌اند که از اسید اسکوربیک (ویتامینِ C)، کاتالیزگری از جنسِ نمکِ نیکل و نیز نقاطِ کوانتومی از جنسِ سلنیدِ کادمیوم (CdSe) ساخته شده است. این سامانه نه تنها چندین ساعت، بلکه به مدتِ چندین هفته پابرجا بوده و بازدهیِ آن در تبدیلِ توانِ خورشیدی به انرژی، در محیطِ آبی به 36% می‌رسد. اگر محلولی که سامانه را احاطه کرده ترکیبی از آب و اتانول باشد بازدهیِ سامانه تا 66% افزایش می‌یابد. در میانِ سامانه‌هایی که تماماً در محلول قرار می‌گیرند، چنین آمارهای بالایی هیچ‌گاه دیده نشده است. تنها ایرادِ این سامانه این است که ویتامینِ C که نقشِ دهنده‌ی الکترون را بازی می‌کند، در هر چرخه‌ی تولیدِ هیدروژن کاملاً مصرف می‌شود و باید به طورِ منظم دوباره آن را برای سامانه تهیه کرد.

شیوه‌ی کارکردِ سامانه

Krauss شیوه‌ی کارکردِ این سامانه را چنین توضیح می‌دهد: «نقاطِ کوانتومی از جنسِ CdSe دو فوتون از پرتوهای نورِ خورشید را جذب کرده و دو الکترون به نیکل (کاتالیزگر) منتقل می‌کنند. دو پروتونِ باقی‌مانده در این فرآیند، چنان ترکیب می‌شوند که یک مولکولِ هیدروژن بسازند. تفاوتِ کارِ ما با بیش‌ترِ پژوهش‌های پیشین در آن است که کاتالیزگر به صورتِ درجا توسطِ لیگاندهای نقاطِ کوانتومی ساخته می‌شود. هم‌چنین بیش‌ترِ سامانه‌هایی که در محلول قرار می‌گیرند تنها به مدتِ چند ساعت و یا حد اکثر یک روز می‌توانند به تولیدِ هیدروژن ادامه دهند چون در طولِ این فرآیند، رنگ‌سازه‌ها به ترکیب‌های ساده‌تری تبدیل می‌شوند. بنابراین سامانه‌ی بلندعمرِ ما کارکردی دور از انتظار دارد».

این پژوهش‌گران می‌گویند که جفت‌های متشکل از کاتالیزگر و نانوبلوری که آن‌ها به تازگی ساخته‌اند، در مقایسه با سامانه‌های دست‌سازِ پیشین که از نانوذرات برای فرآیندِ فوتوسنتز بهره می‌گرفتند، کارکردِ بهتری دارند چراکه در برابرِ نورِ خورشید پایدارتر هستند. البته این افراد اضافه می‌کنند که هنوز علتِ پایداریِ بیش‌ترِ این سامانه‌ی نوین را نمی‌دانند.

Krauss می‌افزاید: «اگر بخشِ کاهشی را در واکنشِ فوتوسنتزِ دست‌ساز بهتر درک کنیم، می‌توانیم فرآیندِ تجزیه‌ی آب را کارآمدتر و پربازده‌تر کنیم. کارِ پژوهشی ما گامی مهم در این راستاست چراکه این سامانه‌ی نوین، ما را در شناختِ بهترِ این نیم‌واکنشِ کاهشی یاری خواهد کرد».

تولیدِ آمونیاک

بنابر گفته‌ی اعضای این گروه، این سرچشمه‌ی نوین و پاک برای تولیدِ هیدروژن نه تنها کاربردهای بسیاری در زمینه‌ی انرژی‌های سبز پیدا خواهد کرد بلکه در زمینه‌های صنعتی مانندِ «فرآیندِ هابر» برای تولیدِ آمونیاک نیز کارآمد است.

این گروهِ پژوهشی از دانش‌گاهِ روچستر، هم‌اینک سرگرمِ آزمودنِ دیگر سامانه‌های ساخته‌شده از نانوذرات هستند. Krauss می‌گوید: «ما کاتالیزگرهای دیگری که چندان گران نباشند را نیز بررسی می‌کنیم و امیدواریم که راهی برای جای‌گزین کردنِ مولکول‌های ویتامینِ C با الکترون بیابیم. به عنوانِ نمونه می‌توان الکترون‌ها را به کمکِ یک مدارِ الکتریکی تامین کرد. چنین آزمایش‌هایی می‌تواند گامِ بعدی به سوی دست‌یابی به یک سامانه‌ی دست‌سازِ واقعی برای فوتوسنتز باشد. گرچه تا رسیدن به این هدف هنوز راهِ بسیاری باقی‌ست چون ما تا این‌جای کار، تنها توانسته‌ایم نیمی از کلِ واکنش را بسازیم».

این کارِ پژوهشی در Science توضیح داده شده است.

مرجع

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/09/nanocrystals-produce-hydrogen-using-sunlight