توسط : 
پژوهشگران ایرانی سامانهای مبتنی بر نانوساختارهای مهندسیشده توسعه دادهاند که با افزایش بازده جذب نور، یکی از چالشهای اصلی تولید هیدروژن خورشیدی – یعنی افت عملکرد و ناپایداری مواد فعال – را کاهش میدهد.
به گزارش ستاد نانو و میکرو، در شرایطی که وابستگی به سوختهای فسیلی همچنان از عوامل اصلی آلودگی هوا، تغییرات اقلیمی و ناامنی انرژی است، تولید سوخت پاک به یک ضرورت راهبردی تبدیل شده است. هیدروژن از جمله گزینههای امیدبخش در این مسیر است، زیرا هنگام مصرف تنها آب تولید میکند و میتواند در صنایع، حملونقل و ذخیرهسازی انرژی نقش مهمی ایفا کند. با این حال، تولید اقتصادی و کمهزینه هیدروژن همچنان یکی از چالشهای مهم فناوری جهان است.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه اصفهان با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و شرکت اپتیک نیرو در مرکز رشد دانشکده فنیوحرفهای شمسپور، سامانهای نوآورانه برای شکافت فتوالکتروشیمیایی آب طراحی کردهاند. این فناوران با طراحی فوتوآندی پیشرفته و بهرهگیری از نانوساختار «اپال معکوس» در دیاکسید تیتانیوم و ماده پروسکایتی CsPbBr۳، توانستهاند هم بازده جذب نور را افزایش دهند و هم پایداری دستگاه را در محیط آبی بهبود بخشند. در این طرح همچنین از یک لایه کربنی رسانا شامل کربن بلک، گرافیت و تونر بازیافتی استفاده شده که ضمن کاهش هزینه، دوام سامانه را نیز بالا برده است. ثبت چگالی جریان نوری ۷.۲۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع بدون استفاده از همکاتالیست، نشاندهنده ظرفیت این فناوری برای ورود به نسل آینده سامانههای تولید سوخت سبز است.
نقطه اصلی نوآوری این پژوهش در بخش نانویی آن نهفته است؛ جایی که دانشمندان از لایه نانوساختار دیاکسید تیتانیوم با معماری اپال معکوس استفاده کردهاند. اپال معکوس ساختاری سهبعدی با حفرههای منظم در مقیاس نانو است که نور را پراکنده کرده و درون ماده به دام میاندازد. این ویژگی سبب میشود فوتونهای بیشتری جذب شوند و بازده تبدیل انرژی افزایش یابد. این ساختار نانویی مانند تالاری پر از آینه برای نور عمل میکند؛ نور بارها درون ساختار بازتاب میشود و فرصت بیشتری برای جذب توسط لایه پروسکایتی پیدا میکند.
علاوه بر این، لایه اپال معکوس TiO۲ نه تنها نقش نوری دارد، بلکه مانند داربستی برای جمعآوری و انتقال الکترونها نیز عمل میکند. در سامانههای فتوالکتروشیمیایی، اگر بارهای الکتریکی بهسرعت جدا و منتقل نشوند، پیش از انجام واکنش از بین میروند. ساختار نانویی طراحیشده مسیر حرکت الکترونها را کوتاهتر کرده و بازترکیب بارها را کاهش میدهد. پژوهشگران برای رفع مشکل ناپایداری پروسکایت در تماس با الکترولیت آبی، یک لایه محافظ و رسانا از جوهر کربنی روی سطح پروسکایت قرار دادهاند که هم به حفاظت از ماده فعال کمک میکند و هم انتقال بار را بهبود میبخشد.
نتایج آزمایشها نشان داد بهترین نمونه ساختهشده با آرایش شیشه/FTO/TiO۲ فشرده/TiO۲ مزوحفرهای/TiO۲ اپال معکوس/CsPbBr۳/C به چگالی جریان نوری ۷.۲۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع در ولتاژ ۱.۲۳ ولت نسبت به الکترود هیدروژن برگشتپذیر دست یافته است. این مقدار بدون استفاده از همکاتالیست به دست آمده و سامانه توانست عملکرد خود را به مدت ۱۰ هزار ثانیه در شرایط pH خنثی حفظ کند؛ نکتهای مهم، زیرا بسیاری از فوتوآندهای پروسکایتی در مدت کوتاهی دچار افت عملکرد میشوند.
اهمیت این پروژه فراتر از یک نتیجه آزمایشگاهی است. اگر چنین فناوریهایی به مقیاس صنعتی برسند، میتوان از نور خورشید برای تولید هیدروژن پاک با هزینه کمتر استفاده کرد؛ سوختی که میتواند در نیروگاهها، خودروهای پیل سوختی و صنایع انرژیبر به کار گرفته شود. این پژوهش نشان میدهد ترکیب مواد نوظهور پروسکایتی با مهندسی نانوساختارها میتواند راه تازهای برای توسعه سامانههای انرژی پاک بگشاید.
