برای اینکه جهان از سوخت‌های فسیلی دور شود، به روش‌های ارزان‌تری برای تولید هیدروژن سبز نیاز دارد. هیدروژن سبز، نوعی سوخت پاک است که با استفاده از برق تجدیدپذیر برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن ساخته می‌شود.
به گزارش ایسنا، پژوهشگران اکنون روشی را گزارش داده‌اند که نیازی به غشای گرانقیمت در قلب دستگاه‌های شکافت آب ندارد و در عوض، هیدروژن و اکسیژن را در محفظه‌های کاملا مجزا تولید می‌کند.
به نقل از ساینس، این پژوهش به عنوان یک اثبات مفهوم آزمایشگاهی، فاصله زیادی را با کارآیی در مقیاس صنعتی دارد اما در صورت موفقیت می‌تواند به صنایع سنگین مانند فولادسازی و تولید کود کمک کند تا وابستگی خود را به نفت، ذغال‌سنگ و گاز طبیعی کاهش دهند.
«شانون بوچر»(Shannon Boettcher) شیمیدان «دانشگاه اورگن»(U of O) که در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: این یک مفهوم نوآورانه است. به نظر می‌رسد طراحی جدید به طور موثر با مقادیر متغیر الکتریسیته کار می‌کند. این مزیت می‌تواند جفت شدن با برق متناوب را که توسط مزارع بادی و خورشیدی تامین شده است، آسان‌تر کند.
دستگاه‌های شکافت آب که به عنوان «الکترولایزر» شناخته می‌شوند، اولین بار بیش از 230 سال پیش به نمایش درآمدند. رایج‌ترین نسخه امروزی آنها که به عنوان «الکترولایزر قلیایی» شناخته می‌شود، کمی شبیه به باتری کار می‌کند.
دو الکترود در یک محفظه حاوی آب و یک الکترولیت مایع می‌افتند که یون‌ها را به حرکت کردن ترغیب می‌کند. اعمال جریان الکتریکی به کاتد با بار منفی، آب را به مولکول‌های هیدروژن و یون‌های هیدروکسید با بار منفی تقسیم می‌کند.
یون‌های هیدروکسید در مایع به سوی آند دارای بار مثبت می‌روند و در آنجا واکنش می‌دهند. سپس، اکسیژن و مقدار کمتری آب را تشکیل می‌دهند. این دستگاه، بر یک غشاء بین دو الکترود متکی است. این کار اجازه می‌دهد تا یون‌های هیدروکسید از کاتد به آند بروند اما از ترکیب هیدروژن و اکسیژن که می‌توانند به صورت انفجاری با هم ترکیب شوند، جلوگیری می‌کند.
«آونر روثچایلد»(Avner Rothschild) دانشمند علوم مواد و از پژوهشگران این پروژه گفت: بخش عمده‌ای از هزینه هیدروژن سبز، ناشی از برق تجدیدپذیر است که این فرآیند را هدایت می‌کند.
بیشتر هزینه باقی‌مانده، به خاطر الکترولایزر است و غشاء یکی از گران‌ترین اجزای آن به شمار می‌رود زیرا معمولا لایه‌های ویژه زیادی را برای نگهداری و محافظت از فیلترهای مولکولی در بر دارد.
روثچایلد و همکارانش معتقد بودند که با کمک الکترولایزر و تولید هیدروژن و اکسیژن در فضا یا زمان می‌توانند غشاء را از بین ببرند. در سال 2019، آنها مجموعه‌ای را ارائه دادند که در آن یک الکترود مبتنی بر نیکل را مانند باتری در مرحله تولید هیدروژن شارژ کردند. هنگامی که آنها الکترود را به محفظه دوم منتقل کردند، هنگام تخلیه بار الکتریکی، اکسیژن تولید کرد. اگرچه این کارآمد بود اما مشکلاتی را نیز به همراه داشت.
به عنوان مثال، جابه‌جایی الکترود بین مراحل بدین معناست که دستگاه نمی‌تواند به طور مداوم کار کند و افزایش مقیاس آن احتمالا هزینه زیادی خواهد داشت. همچنین، الکترولیت مورد استفاده در مرحله تولید اکسیژن باید داغ باشد تا واکنش را تسریع کند. این کار به استفاده کردن از مواد گرانقیمت و عایق برای جلوگیری از اتلاف حرارت نیاز دارد.
پژوهشگران برای برطرف کردن این مشکلات، الکترولایزر خود را دوباره طراحی کردند تا تولید هیدروژن آند را شارژ نکند، بلکه مولکول‌های الکترولیت مایع را تغییر دهد. در این حالت، هنگام تولید هیدروژن در آند، یون‌های برومید موجود در الکترولیت به برومات تبدیل می‌شوند.
الکترولیت حاوی برومات، به درون محفظه دوم پمپاژ می‌شود. این محفظه دارای کاتالیزوری است که باعث می‌شود برومات در واکنش تحت دمای اتاق دوباره به برومید و اکسیژن تجزیه شود.
این دستگاه، هیدروژن را به طور مداوم با سرعت بالا تولید کرد. اگرچه راندمان کار آن به اندازه یک الکترولایزر قلیایی معمولی نبود اما روچیلد گفت: ما می‌توانیم هیدروژن و اکسیژن را بدون غشاء جدا نگه داریم و این کار، هزینه تولید هیدروژن را در مقیاس بزرگ کاهش می‌دهد.
«مارک سیمز»(Mark Symes) شیمیدان «دانشگاه گلاسگو»(University of Glasgow) گفت: روش جدید هنوز با چند چالش روبه‌رو است.
به عنوان مثال، برای جلوگیری از واکنش برومات در آند پیش از پمپاژ آن به محفظه دوم، گروه مجبور شدند آند را با ماده‌ای بپوشانند که اجازه خروج هیدروژن را می‌دهد اما مانع از رسیدن برومات به آند می‌شود.
این پوشش نیازمند افزودن یک ماده سرطان‌زای قوی موسوم به «کروم شش‌ظرفیتی» به محلول بود که نگرانی‌هایی را در مورد نشت‌های سمی ایجاد می‌کرد. سیمز ادامه داد: الکترودهای دستگاه از پلاتین یا روتنیوم استفاده می‌کنند که فلزات گرانقیمت و کمیابی هستند.
روثچایلد گفت که گروهش در حال کار کردن روی یک دستگاه نسل بعدی برای رسیدگی کردن به این مشکلات هستند. وی افزود: هر موفقیتی در از بین بردن غشاهای الکترولایزر می‌تواند برای تلاش‌های پیرامون کربن‌زدایی در بخش‌هایی از صنعت که بیشتر وابسته به سوخت‌های فسیلی هستند، سودمند باشد.
این پژوهش در مجله «Nature Materials» به چاپ رسید.
