ثبت رکوردی تازه در تولید هیدروژن سبز با کمک فناوری نانو
تیمی از پژوهشگران ایرانی با بهره‌گیری از نانوساختار اُپال معکوس اکسید تیتانیوم موفق به طراحی فتوآندهای پروسکایتی CsPbBr₃ با کارایی و پایداری کم‌نظیر شدند. این دستاورد نوآورانه در حوزه فناوری‌های نانو می‌تواند روند تولید هیدروژن سبز از طریق شکافت آب فتوالکتروشیمیایی (PEC-WS) را متحول کند و گامی مهم در مسیر توسعه انرژی‌های پاک در ایران و جهان باشد.
به گزارش «نبض فناوری» به نقل از ایسنا، افزایش مداوم غلظت دی‌اکسیدکربن در جو و وابستگی شدید جهان به سوخت‌های فسیلی، بحران انرژی و محیط‌زیست را به یکی از مهم‌ترین چالش‌های عصر حاضر بدل کرده است. در این میان، هیدروژن سبز به دلیل چگالی بالای انرژی و عدم تولید دی‌اکسیدکربن در فرایند احتراق، به عنوان یکی از گزینه‌های راهبردی برای آینده انرژی مطرح شده است. با این حال، روش‌های سنتی تولید هیدروژن مانند اصلاح متان یا الکترولیز متکی بر مصرف گسترده برق و منابع فسیلی هستند. به همین دلیل، توجه پژوهشگران جهان به فناوری شکافت آب فتوالکتروشیمیایی (PEC-WS) جلب شده که با استفاده از نور خورشید و آب، امکان تولید پایدار هیدروژن را فراهم می‌کند.
در میان مواد نیمه‌رسانا برای ساخت فتوآند، ترکیب پروسکایتی CsPbBr₃ به دلیل ویژگی‌هایی چون قابلیت تنظیم شکاف نواری (۲٫۳ الکترون‌ولت)، طول انتشار بلند حامل‌های بار، و امکان فرآوری ارزان در شرایط محیطی، گزینه‌ای بسیار جذاب محسوب می‌شود. با این حال، لایه‌های نازک این ماده در جذب نور ناکافی عمل می‌کنند و همچنین در محیط‌های آبی از پایداری لازم برخوردار نیستند.
برای رفع این چالش‌ها، تیمی از پژوهشگران ایرانی از دانشگاه اصفهان، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ـ واحد ماهشهر، یک شرکت دانش‌بنیان و پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، از نانوساختار اُپال معکوس اکسید تیتانیوم (IOT) به عنوان لایه انتقال‌دهنده الکترون و داربست برای CsPbBr₃ بهره گرفتند. این ساختار سه‌بعدی که به عنوان یک کریستال فوتونی شناخته می‌شود، با ایجاد گاف‌های فوتونی و افزایش مسیر مؤثر نور، جذب فوتون‌ها در لایه پروسکایتی را تقویت می‌کند. بدین ترتیب، الکترون‌ـ‌حفره‌های بیشتری تولید شده و کارایی دستگاه به شکل چشمگیری افزایش می‌یابد.
همچنین، سطح بالای متخلخل TiO₂ شرایطی فراهم می‌کند تا بارهای نوری سریع‌تر جمع‌آوری و منتقل شوند. برای افزایش دوام الکترود در محیط آبی، محققان یک لایه محافظ و رسانا از جنس کربن سیاه، گرافیت و تونر کربنی بازیافتی به کار بردند. این پوشش علاوه بر پایدارسازی سطح پروسکایت، انتقال بار را تسهیل کرده و عملکرد دستگاه را ارتقاء داده است.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد فتوآندهای ساخته‌شده با این طراحی، به چگالی جریان نوری ۷٫۲۸ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع در ولتاژ ۱٫۲۳ VRHE دست یافتند. این عملکرد در آزمایشی طولانی‌مدت طی ۱۰ هزار ثانیه تحت تابش پیوسته و در شرایط خنثی (pH=۷) بدون استفاده از هم‌کاتالیست حفظ شد؛ رکوردی برجسته در میان فتوآندهای پروسکایتی.
تیم تحقیقاتی با استفاده از مجموعه‌ای از آزمون‌ها نظیر طیف‌سنجی جذب UV-Vis، ولتامتری روبشی خطی، اسپکترواسکوپی فتولومینسانس (PL) و امپدانس‌سنجی الکتروشیمیایی (EIS) نشان دادند که ساختار اُپال معکوس نه تنها جذب نور در لبه باند را افزایش داده، بلکه جدایش بارهای نوری را نیز تقویت کرده است.
این دستاورد نشان می‌دهد که طراحی نانوساختارهای هوشمند و استفاده از لایه‌های محافظ رسانا می‌تواند بر محدودیت‌های سنتی پروسکایت‌ها غلبه کند و آن‌ها را به یکی از گزینه‌های اصلی برای تولید صنعتی هیدروژن سبز تبدیل کند.
پژوهشگران تأکید دارند که این نوآوری، الهام‌بخش توسعه بیشتر فتوآندهای معدنی پروسکایتی و حرکت به سمت نسل آینده فناوری‌های انرژی پاک خواهد بود؛ فناوری‌هایی که نقشی کلیدی در تأمین انرژی پایدار جهان ایفا خواهند کرد.