کشف مهم محققان ایرانی و چینی در دنیای انرژی پاک
شمال صنعت: پژوهش جدید پژوهشگران درباره ی کاتالیزورهای نیکل-آهن نشان داده است نقش آهن در واکنش تولید اکسیژن از آب پیچیده تر از تصور رایج است و این مساله می تواند به کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز منجر شود.
به گزارش شمال صنعت به نقل از ستاد نانو، محققان مؤسسه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان (IASBS) با همکاری محققانی از مؤسسه شیمی فیزیک دالیان وابسته به آکادمی علوم چین و دانشگاه هنان، در مطالعه ای جدید نقش گونه های مختلف آهن در کاتالیزورهای نیکل-آهن را هنگام انجام واکنش تولید اکسیژن از آب بررسی نموده اند. یافته های این تحقیق نشان داده است که برعکس تصور رایج، همه گونه های آهن با ظرفیت اکسایش بالا مستقیماً در واکنش تولید اکسیژن نقش ندارند.
بر اساس این مطالعه، آهن موجود در بخش داخلی کاتالیزور بیشتر به ذخیره و انباشت بار الکتریکی کمک می نماید، در صورتیکه تنها مقدار کمی از یون های آهن با ظرفیت بالا که روی سطح کاتالیزور قرار دارند، مستقیماً در انجام واکنش مشارکت می کنند. این یافته می تواند مسیر تازه ای برای طراحی کاتالیزورهای کارآمدتر و کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز بوسیله الکترولیز آب فراهم آورد.
تولید هیدروژن سبز از آب، یکی از مهم ترین فناوری هایی است که می تواند به کاهش وابستگی جهان به سوخت های فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک نماید. با این وجود، یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری، کند بودن واکنش تولید اکسیژن در پروسه الکترولیز آب است؛ واکنشی که انرژی زیادی مصرف می کند و به کاتالیزورهای خیلی کارآمد نیاز دارد. به همین دلیل، شناخت دقیق سازوکار عملکرد این کاتالیزورها، یکی از موضوعات مهم پژوهش های حوزه انرژی بشمار می رود.
در همین راستا، محققان مؤسسه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان (IASBS) با همکاری محققانی از مؤسسه شیمی فیزیک دالیان وابسته به آکادمی علوم چین و دانشگاه هنان، نقش یون های آهن با ظرفیت اکسایش بالا را در کاتالیزورهای نیکل-آهن طی واکنش تولید اکسیژن (Oxygen Evolution Reaction یا OER) بررسی نموده اند. بخش نانویی این تحقیق به کاتالیزورهای نیکل-آهن هیدروکسیدی و اکسی هیدروکسیدی مربوط می شود که بصورت نانوساختار طراحی شده اند و به علت سطح ویژه زیاد، تعداد فراوان مراکز فعال و امکان کنترل دقیق ترکیب شیمیایی، از مهم ترین نانوکاتالیزورهای مورد استفاده در الکترولیز آب به شمار می روند.
واکنش تولید اکسیژن یکی از دو نیم واکنش اصلی در الکترولیز آب است و به طور معمول سرعت پایین آن، بازده کل پروسه را محدود می کند. طی سالهای اخیر، کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل و آهن به علت هزینه پایین، فراوانی عناصر و عملکرد مناسب، جایگاه ویژه ای در تحقیقات انرژی پاک پیدا کرده اند. با وجود مطالعات فراوان، هنوز مشخص نبود که دقیقاً کدام گونه های آهن در این مواد، نقش اصلی را در انجام واکنش ایفا می کنند.
پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش، تغییرات ساختاری و شیمیایی کاتالیزور را در حین انجام واکنش و بصورت برخط (in situ) بررسی کردند؛ روشی که امکان مشاهده مستقیم رفتار ماده در وضعیت واقعی عملکرد را فراهم می آورد. در این مطالعه از مجموعه ای از روشهای پیشرفته شامل طیف سنجی مرئی، طیف سنجی رامان تقویت شده سطحی (SERS) و طیف سنجی موسباور استفاده شد تا تغییرات حالت اکسایش یون های آهن و نیکل با دقت بالا ردیابی شود.
نتایج نشان داد یون های آهن با ظرفیت اکسایش بالا در ساختار نیکل-آهن، پایداری قابل توجهی دارند و حتی تا ۹۶ ساعت بعد از پایان واکنش تولید اکسیژن نیز در ساختار کاتالیزور باقی می مانند. این مورد نشان داده است تشکیل اینگونه های شیمیایی فقط یک پدیده گذرا نیست، بلکه بخشی از خاصیت پایدار ساختار ماده به حساب می آید.
در بخش دیگری از پژوهش، پژوهشگران نمونه ای از هیدروکسید نیکل را با استفاده از ایزوتوپ .۵۷Fe اصلاح کردند تا یون های آهن عمدتا روی سطح کاتالیزور قرار گیرند. بررسی این نمونه نشان داد که در مرحله تعیین کننده سرعت واکنش، گونه چهارظرفیتی آهن (Fe⁴⁺) روی سطح این نمونه قابل شناسایی نیست. این مشاهده، دیدگاه های قبلی درباره ی نقش مستقیم تمام یون های آهن با ظرفیت بالا در واکنش را به چالش کشید.
بر اساس تحلیل نتایج، محققان فرضیه جدیدی ارایه کرده اند. مطابق این فرضیه، یون های آهن موجود در بخش داخلی یا حجمی کاتالیزور، همانند یون های نیکل، عمدتا وظیفه ذخیره و انباشت بار الکتریکی را بر عهده دارند و مستقیماً در تولید اکسیژن شرکت نمی کنند. در مقابل، تنها مقدار خیلی کمی از یون های چهارظرفیتی آهن که روی سطح کاتالیزور قرار دارند، به عنوان مراکز فعال واقعی در انجام واکنش تولید اکسیژن نقش ایفا می کنند.
این تفکیک میان آهن سطحی و آهن حجمی، دیدگاه تازه ای درباره ی نحوه عملکرد کاتالیزورهای نیکل-آهن ارائه می کند. در گذشته به طور معمول همه گونه های آهن با ظرفیت بالا به عنوان مراکز فعال بالقوه درنظر گرفته می شدند، اما نتایج این مطالعه نشان داده است محل قرارگیری یون های آهن در ساختار کاتالیزور، به اندازه حالت اکسایش آنها اهمیت دارد.
به گفته محققان، این یافته ها می تواند راهنمای ارزشمندی برای طراحی نسل جدید کاتالیزورهای الکترولیز آب باشد. اگر بتوان مقدار، محل استقرار و حالت شیمیایی یون های آهن را بطور دقیق کنترل کرد، امکان افزایش بازده واکنش، کاهش انرژی مورد نیاز و بهبود پایداری کاتالیزورها فراهم خواهد شد.
این مطالعه همین طور نشان داده است تعامل میان نیکل و آهن، یکی از عوامل کلیدی در عملکرد این کاتالیزورها است. تنظیم دقیق نسبت این دو عنصر و کنترل نحوه توزیع آنها در ساختار نانویی کاتالیزور، می تواند مسیر انتقال بار را بهبود داده و عملکرد کلی سیستم را ارتقا دهد.
پژوهشگران در آخر تاکید می کنند که نتایج این مطالعه، درک بهتری از نواحی مختلف فعال در واکنش تولید اکسیژن و ارتباط آنها با میزان اضافه پتانسیل ارائه می کند. این شناخت می تواند زمینه توسعه کاتالیزورهای ارزان تر، پایدارتر و کارآمدتر را برای تولید هیدروژن سبز فراهم کند؛ فناوری ای که یکی از ارکان اصلی گذار به اقتصاد کم کربن و سیستم های انرژی پاک در آینده بشمار می رود.
نتایج این پروژه در چارچوب مقاله ای با عنوان A Hypothesis on the Function of High-Valent Fe in NiFe (Hydr)oxide in the Oxygen-Evolution Reaction انتشار یافته است.
منبع: flybazar.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب