دانشمندان ایتالیایی سیستم جدیدی برای تولید ارزان و کارآمد هیدروژن سبز ایجاد کردند

موضوع: انرژی سبز – انرژی هیدروژن – نانوذرات

محققان IIT و BeDimensional از نانوذرات روتنیوم، فلز نجیب که از نظر رفتار شیمیایی شبیه پلاتین است، اما بسیار ارزان‌تر است، استفاده کردند تا به عنوان فاز فعال کاتد الکترولیزور عمل کند که منجر به افزایش کلی کارایی الکترولیز می‌شود.
به گزارش آرا نیرو، با تلاش مشترک تحقیقاتی بین IIT وspin-off BeDimensional روشی کشف شده است که از ذرات روتنیوم در ارتباط با یک سیستم الکترولیز با انرژی خورشیدی استفاده می کند.
برای تولید موثرتر و ارزانتر هیدروژن سبز چه چیزی لازم است؟ ظاهراً ذرات کوچک روتنیوم (ruthenium) و یک سیستم انرژی خورشیدی برای الکترولیز آب. این راه حلی است که توسط یک تیم مشترک شامل Istituto Italiano di Tecnologia (موسسه فناوری ایتالیا، IIT) جنوا، و BeDimensional S.p.A شناسایی شده است.

این فناوری که در چارچوب فعالیت‌های آزمایشگاه مشترک توسعه یافته و اخیراً در دو مجله با فاکتور تأثیر بالا (Nature Communications و Journal of the American Chemical Society) منتشر شده است، بر اساس خانواده جدیدی از الکتروکاتالیست‌ها است که می‌تواند هزینه‌های سبز را کاهش دهد.
تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی
هیدروژن به عنوان یک بردار انرژی پایدار، جایگزینی برای سوخت های فسیلی در نظر گرفته می شود. اما همه هیدروژن ها در مورد اثرات زیست محیطی یکسان نیستند. در واقع، روش اصلی تولید هیدروژن امروزه از طریق اصلاح بخار متان است، فرآیندی مبتنی بر سوخت فسیلی که دی اکسید کربن (CO2) را به عنوان یک محصول جانبی آزاد می کند.

هیدروژن تولید شده توسط این فرآیند به عنوان “خاکستری” (زمانی که CO2 در جو آزاد می شود) یا “آبی” (زمانی که CO2 تحت جذب و ذخیره سازی زمین شناسی قرار می گیرد) طبقه بندی می شود. برای کاهش قابل توجه انتشار به صفر تا سال 2050، این فرآیندها باید با فرآیندهای سازگار با محیط زیست جایگزین شوند که هیدروژن “سبز” (یعنی انتشار خالص صفر) را ارائه کنند. هزینه هیدروژن “سبز” به شدت به بازده انرژی مجموعه (الکترولایزر) بستگی دارد که مولکول های آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند.
نوآوری های فناوری در تولید هیدروژن
محققان تیم مشترک این اکتشاف روش جدیدی ابداع کرده‌اند که کارایی بیشتری نسبت به روش‌های شناخته‌شده فعلی در تبدیل انرژی الکتریکی (سوگیری انرژی مورد استفاده برای تقسیم مولکول‌های آب) به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در مولکول‌های هیدروژن تولید شده را تضمین می‌کند. این تیم مفهومی از کاتالیزور را توسعه داده است و از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل خورشیدی استفاده کرده است.
ما در مطالعه خود نشان داده‌ایم که چگونه می‌توان کارایی یک فناوری قوی و توسعه‌یافته را به حداکثر رساند، علی‌رغم سرمایه‌گذاری اولیه که کمی بیشتر از آنچه برای یک الکترولیز استاندارد مورد نیاز است. یونگ زو و میشل فری از گروه نانوشیمی در IIT در جنوا اظهار داشتند: این به این دلیل است که ما از فلز گرانبهایی مانند روتنیم استفاده می کنیم.

Credit: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

به گزارش آرا نیرو، محققان از نانوذرات روتنیوم استفاده کردند، فلزی نجیب که از نظر رفتار شیمیایی مشابه پلاتین است اما بسیار ارزان‌تر است. نانوذرات روتنیوم به عنوان فاز فعال کاتد الکترولیزور عمل می‌کنند که منجر به افزایش کلی کارایی الکترولیز می‌شود.
ما آنالیزها و آزمایش‌های الکتروشیمیایی را تحت شرایط صنعتی مهم انجام داده‌ایم که به ما امکان می‌دهد فعالیت کاتالیزوری موادمان را ارزیابی کنیم. علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های نظری به ما امکان می‌دهد تا رفتار کاتالیزوری نانوذرات روتنیم را در سطح مولکولی درک کنیم. سباستیانو بلانی و مارلینا زاپیا از BeDimensional که در این کشف نقش داشتند، مکانیسم تقسیم آب بر روی سطوح پایه آنها طی ترکیب داده‌های آزمایش‌ها با پارامترهای فرآیند اضافی را توضیح دادند، و یک تحلیل فنی-اقتصادی انجام داده‌ که رقابت‌پذیری این فناوری را در مقایسه با الکترولیزهای پیشرفته را نشان می‌دهد.

مقرون به صرفه بودن فناوری جدید
روتنیوم فلز گرانبهایی است که در مقادیر کم به عنوان محصول جانبی استخراج پلاتین (30 تن در سال در مقایسه با تولید سالانه 200 تن پلاتین) اما با هزینه کمتر (18.5 دلار در هر گرم در مقابل 30 دلار برای پلاتین) به دست می آید. فناوری جدید شامل استفاده از تنها 40 میلی گرم روتنیوم در هر کیلووات است، در تضاد کامل با استفاده گسترده از پلاتین (تا 1 گرم در هر کیلووات) و ایریدیوم (بین 1 تا 2.5 گرم در هر کیلووات، با قیمت ایریدیوم در حدود 150 دلار در هر گرم) که الکترولیزهای غشایی مبادله پروتون را مشخص می کنند.

محققان IIT و BeDimensional با استفاده از روتنیوم، کارایی الکترولیزهای قلیایی را بهبود بخشیده‌اند، فناوری که دهه ها به دلیل استحکام و دوام آن مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال، این فناوری بر روی کپسول آپولو 11 بود که بشریت را در سال 1969 به ماه برد. خانواده جدید کاتدهای مبتنی بر روتنیوم برای الکترولیزهای قلیایی که توسعه یافته است بسیار کارآمد است و عمر طولانی دارد، بنابراین قادر است هزینه های تولید هیدروژن سبز را کاهش دهد.

محققان نتیجه گرفتند: «در آینده، ما قصد داریم این فناوری و سایر فناوری‌ها، مانند کاتالیزورهای نانوساختار مبتنی بر مواد دوبعدی پایدار را در الکترولایزرهای پیشرفته با انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر، از جمله برق تولید شده توسط پنل‌های فتوولتائیک، به کار ببریم».

مراجع:
“ساختارهای نانوهتروساختار Ru-Cu برای واکنش موثر تکامل هیدروژن در الکترولیزهای آب قلیایی” توسط یونگ زو، سباستیانو بلانی، گابریله صالح، میشل فری، دیپاک وی. ، ابینایا آنامالای، دانیلو اولیویرا د سوزا، لوکا دی تریتزیو، ایوان اینفانته، فرانچسکو بوناکوروسو و لیبراتو ماننا، 25 سپتامبر 2023، مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021/jacs.3c06726

«الکترولایزرهای آب قلیایی با کارایی بالا بر اساس کاتد نانوپلاکت‌های مس آشفته شده با روم» توسط یونگ زو، سباستیانو بلانی، میشل فری، گابریله صالح، دیپاک وی. ، فرانچسکو بوناکورسو و لیبراتو ماننا، 4 اوت 2023، Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-40319-5