تولید بهینه تر هیدروژن با فوتوکاتالیست ها
تولید بهینه تر هیدروژن با فوتوکاتالیست ها
آئروژل‌ها مواد خارق‌العاده‌ای هستند که بیش از ده‌ها بار رکوردهای جهانی گینس را ثبت کرده‌اند، از جمله رکورد سبک‌ترین مواد جامد جهان.
پروفسور Markus Niederberger از آزمایشگاه مواد چند منظوره در ETH زوریخ مدتی است که با این مواد خاص کار می کند. آزمایشگاه او در آئروژل های متشکل از نانوذرات نیمه هادی کریستالی 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 به عنوان فوتوکاتالیست است. این مواد هر زمان که نیاز باشد تا یک واکنش شیمیایی با کمک نور خورشید فعال یا تسریع شود، به کار می روند - یک نمونه آن تولید هیدروژن است.
ماده انتخابی برای فوتوکاتالیست ها دی اکسید تیتانیوم است که یک نیمه هادی است. اما TiO2 یک نقطه ضعف بزرگ دارد: می‌تواند تنها بخش UV نور خورشید را جذب کند - فقط حدود 5 درصد از طیف. اگر قرار است فوتوکاتالیز کارآمد و از نظر صنعتی مفید باشد، کاتالیزور باید بتواند از طیف وسیع تری از طول موج ها استفاده کند.
گسترش طیف با دوپینگ نیتروژن
به همین دلیل است که دانشجوی دکترای Junggou Kwon، به دنبال راهی جدید برای بهینه سازی یک آئروژل ساخته شده از نانوذرات TiO2 بوده است. و او ایده درخشانی داشت: اگر آئروژل نانوذرات TiO2 با نیتروژن "دوپ" شود (برای استفاده از اصطلاح فنی) به طوری که اتم‌های اکسیژن موجود در ماده با اتم‌های نیتروژن جایگزین شوند، آئروژل می‌تواند بخش‌های قابل مشاهده بیشتری از طیف را جذب کند. . فرآیند دوپینگ ساختار متخلخل آئروژل را دست نخورده باقی می گذارد. مطالعه روی این روش اخیرا در مجله Applied Materials & Interfaces منتشر شده است.
Kwon ابتدا آئروژل را با استفاده از نانوذرات TiO2 و مقادیر کمی از فلز نجیب پالادیوم تولید کرد که نقش کلیدی در تولید فتوکاتالیستی هیدروژن دارد. سپس آئروژل را در یک رآکتور قرار داد و آن را با گاز آمونیاک تزریق کرد. این امر باعث شد تا اتم های نیتروژن مجزا خود را در ساختار بلوری نانوذرات TiO2 جاسازی کنند.
ایروژل اصلاح شده واکنش را کارآمدتر می کند
برای آزمایش اینکه آیا یک آئروژل اصلاح شده به این روش واقعاً کارایی یک واکنش شیمیایی مورد نظر - در این مورد، تولید هیدروژن از متانول و آب - را افزایش می‌دهد، وون یک راکتور ویژه ساخت که مستقیماً یکپارچه آئروژل را در آن قرار داد. سپس بخار آب و متانول را قبل از تابش دو چراغ LED به آئروژل در راکتور وارد کرد. مخلوط گازی از طریق منافذ آئروژل پخش می شود و در آنجا به هیدروژن مورد نظر روی سطح نانوذرات TiO2 و پالادیوم تبدیل می شود.
Kwon آزمایش را پس از پنج روز متوقف کرد، اما تا آن نقطه، واکنش پایدار بود و به طور مداوم در سیستم آزمایش ادامه یافت. نیدربرگر می گوید: «این روند احتمالاً برای مدت طولانی تری پایدار می ماند. به خصوص با توجه به کاربردهای صنعتی، مهم است که تا زمانی که ممکن است 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 70 برابر بیشتر از استفاده از آئروژل‌هایی که فاقد آن بودند، هیدروژن تولید کرد.
افزایش جریان گاز
این آزمایش در درجه اول به عنوان یک مطالعه امکان سنجی در خدمت محققان بود. به عنوان یک کلاس جدید از فوتوکاتالیست ها، آئروژل ها ساختار سه بعدی استثنایی را ارائه می دهند و علاوه بر تولید هیدروژن، پتانسیل بسیاری از واکنش های فاز گاز جالب دیگر را نیز ارائه می دهند. 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 و نه برق استفاده کرد.
هنوز مشخص نیست که آیا آئروژل توسعه یافته توسط گروه نیدربرگر هرگز در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار خواهد گرفت. به عنوان مثال، هنوز این سوال وجود دارد که چگونه می توان جریان گاز را از طریق آئروژل تسریع کرد. در حال حاضر، منافذ بسیار کوچک مانع از جریان گاز بیش از حد می شود. نیدربرگر می گوید: «برای راه اندازی چنین سیستمی در مقیاس صنعتی، ابتدا باید جریان گاز را افزایش دهیم و همچنین تابش آئروژل ها را بهبود بخشیم. او و گروهش در حال حاضر روی این موضوعات کار می کنند.
آئروژل ها مواد استثنایی هستند. آنها بسیار سبک و متخلخل هستند و دارای سطح وسیعی هستند: یک گرم از مواد می تواند تا 1200 متر مربع مساحت داشته باشد. به دلیل شفافیت، آئروژل ها ظاهری مانند "دود یخ زده" دارند. آنها عایق های حرارتی عالی هستند و بنابراین در کاربردهای هوافضا و به طور فزاینده ای در عایق کاری حرارتی ساختمان ها نیز استفاده می شوند. با این حال، ساخت آنها هنوز به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد، بنابراین مواد گران هستند. اولین آئروژل از سیلیس توسط شیمیدان ساموئل کیستلر در سال 1931 تولید شد.
