گامی به سمت تولید سوخت هیدروژنی با بازدهی کوانتومی بیش از ۱۰۰ درصد
تلاش‌ها برای کاهش وابستگی‌مان به سوخت‌های فسیلی در حال پیشروی به جهت‌های مهم متعددی است. چنین ابتکارهایی تحقیقی را شامل می‌شود که روی تولید کارآمدتر سوخت گازی هیدروژن با استفاده از انرژی خورشیدی تمرکز می‌کند تا آب را به اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی آن از هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند.
اخیراً در مقاله‌ای منتشر شده در مجله‌ی Nature Energy به سرپرستی «یونگ یان»، استادیار دانشکده‌ی شیمی و علم محیط‌زیست، موفقیتی اساسی در این علم پایه گزارش شد که برای پیشرفت به‌سمت این هدف ضروری است.
این مقاله، گزارش تحقیقی است که یان به‌همراه همکارانش وابسته به آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر، مدرسه معادن کلرادو و دانشگاه ایالتی سن‌دیگو انجام دادند. در اصل آن‌ها چیزی را به‌وجود آوردند که معروف به سلول فتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتوم است که از نظر کاتالیزی برای تولید گاز هیدروژن به بازدهی کوانتوم فراتر از ۱۰۰ درصد رسید.
نقاط کوانتوم، ذرات نیمه هادی بسیار کوچکی، تنها در حد چند نانومتر، هستند. یک نانومتر یک‌میلیاردم یک‌متر است. در دستگاه آن‌ها، ذرات کوانتوم سولفید سرب جای مواد نیمه‌هادی از قبیل سیلیسیم و مس ایندیوم گالیم آرسنیک را می‌گیرد. مزیت این دستگاه این است که چنین دستگاه فتوالکتروشیمیایی به‌طور بالقوه می‌تواند بخش بیشتری از طیف خورشیدی را به انرژی مفید تبدیل کند.
این دستگاه توصیف‌شده قادر است تا یک فوتون خورشیدی مرئی را جذب کند و از طریق فرآیندی که تولید «اکسیتون چندگانه» یا «MEG» نامیده می‌شود، دو یا حتی بیشتر الکترون تولید کند که این الکترون‌ها بعدها به‌منظور کاهش آب برای تولید گاز هیدروژن استفاده می‌شوند. هرچند بسیاری از دانشمندان در سراسر جهان درگیر تلاش برای تولید هیدروژن خورشیدی با دستیابی به بازدهی کوانتوم تا حد ممکن نزدیک به ۱۰۰ درصد هستند، دستاورد یان در مستقیماً رسیدن به این آستانه، موفقیتی زیربنایی و مهم محسوب می‌شود. این دستاورد به وضوح ثابت می‌کند که با در نظر گرفتن بهره کوانتومی، طراحی سلول الکتروشیمیایی که او توصیف می‌کند، بسیار کارآمدتر از سلول خورشیدی نقطه‌ی کوانتوم است.
یان که در سال ۲۰۱۶ به هیئت علمی موسسه‌ی فناوری نیوجرسی «NJIT» ملحق شد، تاکید می‌کند که این پیشرفت در سطح علم خورشیدی پایه است و اینکه این موفقیت با توجه به بهره‌ی کوانتومی با افزایش عظیم در بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن نهایی یکسان نیست. با این وجود، این افزایش چشم‌گیر در بازدهی کوانتومی که با دستگاه فوتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتوم سرب سولفیدی به‌طور خاص خلاقانه عملی شده است، تحول مهمی در چندین روش است و به معنای واقعی کلمه محصولی از علاقه‌ی طولانی‌مدت یان به منابع تجدیدپذیر انرژی، به خصوص در مصارف جدید انرژی خورشیدی است.
برای یان، این تحقیق که در مجله‌ی Nature Energy گزارش شد، پس از مطالعه‌ی قبلی‌اش به‌عنوان دانشجوی پسادکتری در دانشگاه پرینستون و در ساختمان انرژی آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا در کلرادو، در NJIT به اوج خود رسید. این موفقیت از این تلاش با سرمایه‌گذاری‌های انجام شده توسط NJIT و ساختمان انرژی میسر شد.
یان می‌گوید: «این نتایج احتمال تولید انرژی بیشتر و به شکل کارآمدتری با چنین دستگاه گیرنده‌ی انرژی خورشیدی در آینده را نشان می‌دهد. این امر همچنین می‌تواند منجر به تغییر اساسی در کل فرآیند تولید سوخت هیدروژنی شود. حال ما می‌توانیم با استفاده از انرژی الکتریسیته تامین شده، توسط نیروگاه‌های معمولی که سوخت فسیلی مصرف می‌کنند، از آب، سوخت هیدروژنی به‌دست آوریم. اما با بنا کردن این قدم پایه در دستیابی به چنین بازدهی کوانتوم بالا برای تولید هیدروژن خورشیدی، ما می‌توانیم این فرآیند تولید سوخت سبز را همچنین بسیار سبزتر کنیم.»
