پژوهش‌گران روشی را یافته‌اند که از نانوذرات سیلیکون می‌توان برای تولید آنی هیدروژن استفاده کرد. از جمله کاربردهای آن نیز تامین انرژی دستگاه‌های قابل حمل است.

بر طبق نظر پژوهش‌گرانی از دانشگاه SUNY در نیویورک نانوذرات سیلیکون همان‌گونه که با آب واکنش می‌دهند، می‌توانند برای تولید تقریباً آنی هیدروژن مورد استفاده قرار گیرند. این واکنش نیاز به هیچ نور، گرما یا الکتریسیته‌ای ندارد و هیدروژن تولید شده به این شیوه می‌تواند جهت تامین انرژی سلول‌های سوختی کوچک مورد استفاده قرار گیرد. به گفته‌ی این تیم، روش آن‌ها سودمند است، زیرا با رویکرد «فقط آب اضافه کن» بر حسب تقاضا می‌توان هیدروژن تولید کرد. در اصل این روش بازیابی بخشی از انرژیی است که در وهله‌ی اول برای پالایش سیلیکون و تولید نانوذرات صرف شده است.

نانوذرات سیلیکون

تجزیه‌ی آب به منظور تولید هیدروژن یک روش پاک و تجدیدپذیر برای تولید انرژی است و روش‌های سنتی تجزیه‌ی آب شامل الکترولیز، ترمولیز و فوتوکاتالیز می‌شود. آب می‌تواند با توده‌ی سیلیکون واکنش داده تا هیدروژن تولید کند اما این مسیر به دلیل کند بودن آن مقدار کمی مورد مطالعه قرار گرفته است. در تئوری می‌توان دو مول گاز هیدروژن در ازای هر مول سیلیکون آزاد کرد (یا اینکه سیلیکون 14٪ از جرم خود را هیدروژن تولید می‌کند). هم‌چنین این ماده روی سیاره ما فراوان است، چگالی انرژی بالایی دارد و هنگامی که با آب واکنش می‌دهد، هیچ دی‌اکسید کربنی آزاد نمی‌کند.

نرخ سریع‌تر واکنش

به خاطر نسبت سطح به حجم بالا، نانوذرات سیلیکون در مقایسه با توده‌ی سیلیکون، می‌توانند هیدروژن را بسیار سریع‌تر تولید کنند. اکنون تیمی به سرپرستی پاراس پاراساد و مارک سیهات از دانشگاه SUNY نشان داده‌اند که این افزایش نرخ واکنش بسیار بزرگتر از آنی خواهد بود که تنها بر مبنای افزایش سطح انتظار می‌رود. در حقیقت نانوذرات با قطر 10 نانومتر ظاهر می‌شوند تا هیدروژن را در کمتر از یک دقیقه تولید کنند در حالی که این زمان برای نانوذراتی با قطر 100 نانومتر حدود 45 دقیقه است. هم‌چنین این ذرات 10 نانومتری در مقایسه با توده‌ی سیلیکون، 1000 برار سریع‌تر در تولید هیدروژن عمل می‌کنند.

بر طبق نظر این تیم تفاوت در نرخ تولید هیدروژن بین ذرات سیلیکون با اندازه‌های 10 و 100 نانومتر بسیار بزرگ‌تر از آنی است که بتوان توسط تفاوت در سطح ذرات، آن را محاسبه کرد. برای درک این تفاوت، این پژوهش‌گران آزمایشاتی را انجام داده‌اند که در آن‌ها واکنش را قبل از آنکه همه‌ی سیلیکون به طور کامل مصرف شود، متوقف کرده‌اند. به عنوان فرآورده‌های واکنش، ذرات سیلیکون 10 نانومتری از نظر اندازه کاهش می‌یابند اما هیچ تغییری در شکل آن‌ها رخ نمی‌دهد و تقریباً کروی باقی می‌مانند.

از طرف دیگر ذرات 100 نانومتری از نظر اندازه به طور یکنواخت کاهش پیدا نمی‌کنند اما پوسته‌های توخالی یا کپسول‌هایی با دیواره‌های متشکل از چندین تک‌لایه‌ی سیلیکون را به وجود می‌آورند. سپس این دیواره‌ها سرعت واکنش سیلیکون-آب را کاهش می‌دهند زیرا آن‌ها یک لایه‌ی اضافی میان واکنش‌دهنده‌هایی که باید پخش شوند، اضافه می‌کنند. از طرفی نیز ذراتی که از ابتدا بزرگتر هستند، سطح کمتری نسبت به حجم خود دارند.

گروه بزرگی از نانوذرات سیلیکون

ایده‌آل برای تامین انرژی دستگاه‌های قابل حمل

پاراساد می‌گوید: «با توسعه‌ی بیشتر، این فن‌آوری می‌تواند برای تامین انرژی دستگاه‌های قابل حمل ایده‌آل باشد و ممکن است در آینده جایگزین ژنراتورهای دیزلی و بنزینی حجیم گردد.» یکی از اعضای این گروه می‌افزاید: «یک ژنراتور سیلیکون نوعی، می‌تواند از یک سلول سوختی هیدروژنی کوچک و مقداری کارتریج پلاستیکی از جنس نانوپودر سیلیکون تشکیل شده باشد که هر زمان لازم باشد، برای تولید انرژی به آن آب اضافه می‌گردد.»

اگرچه این روش برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بازده‌ی کلی این فرآیند می‌تواند نسبتاً قابل مقایسه با باتری‌های اولیه و سایر منابع تامین انرژی قابل حمل باشد که آن را برای چنین کاربردهایی قابل توجه می‌سازد.

در حال حاضر این پژوهش‌گران روش‌خود را با موفقیت در یک سلول سوختی کوچک امتحان کرده‌اند که از آن برای تامین انرژی یک پنکه استفاده شده است. آنان اکنون قصد دارند که نانوساختارهای کپسولی ناشی از برهم‌کنش ذرات بزرگتر سیلیکون را با جزئیات بیشتری مورد مطالعه قرار دهند و ببینند زمانی که نانوذرات سیلیکون با سایر مواد ترکیب می‌شوند، هیدروژن چگونه تولید خواهد شد. این پژوهش در مجله‌ی Nano Letters منتشر شده است.  

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/28/nanosilicon-produces-hydrogen-on-demand