کشف مهم محققان ایرانی و چینی در دنیای انرژی پاک
آزینیک: پژوهش جدید پژوهشگران درباره ی کاتالیزورهای نیکل-آهن نشان میدهد نقش آهن در واکنش تولید اکسیژن از آب پیچیده تر از تصور رایج است و این مورد می تواند به کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز منجر شود.
به گزارش آزینیک 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 مطالعه نشان میدهد که بر خلاف تصور رایج، همه گونه های آهن با ظرفیت اکسایش بالا مستقیماً در واکنش تولید اکسیژن نقش ندارند.
بر اساس این مطالعه، آهن موجود در قسمت داخلی کاتالیزور بیشتر به ذخیره و انباشت بار الکتریکی کمک می نماید، در حالیکه تنها مقادیر 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 جدیدی برای طراحی کاتالیزورهای کارآمدتر و کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز از راه 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. در عین حال، یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری، کند بودن واکنش تولید اکسیژن در فرایند الکترولیز آب است؛ واکنشی که انرژی زیادی مصرف می کند و به کاتالیزورهای بسیار 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 مطالعه به کاتالیزورهای نیکل-آهن هیدروکسیدی و اکسی هیدروکسیدی مربوط می شود که به شکل 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 فرایند 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 دقیقا 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 به شکل برخط (in situ) بررسی کردند؛ روشی که امکان مشاهده مستقیم رفتار ماده در وضعیت حقیقی 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 هم در ساختار کاتالیزور باقی می مانند. این مساله نشان میدهد تشکیل اینگونه های شیمیایی صرفا یک پدیده گذرا نیست، بلکه بخشی از خصوصیت پایدار ساختار ماده شمرده می شود.
در بخش دیگری از پژوهش، محققان نمونه ای از هیدروکسید نیکل را با استفاده از ایزوتوپ .۵۷Fe اصلاح کردند تا یون های آهن به طور عمده 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 در رابطه با نقش مستقیم تمام یون های آهن با ظرفیت بالا در واکنش را به چالش کشید.
بر اساس تحلیل نتایج، محققان فرضیه جدیدی عرضه کرده اند. مطابق این فرضیه، یون های آهن موجود در قسمت داخلی یا حجمی کاتالیزور، همانند یون های نیکل، به طور عمده وظیفه ذخیره و انباشت بار الکتریکی را بر عهده دارند و مستقیماً در تولید اکسیژن شرکت نمی کنند. در مقابل، تنها مقدار بسیار اندکی از یون های چهارظرفیتی آهن که روی سطح کاتالیزور قرار دارند، به عنوان مراکز فعال حقیقی در انجام واکنش تولید اکسیژن نقش ایفا می کنند.
این تفکیک میان آهن سطحی و آهن حجمی، دیدگاه جدیدی در رابطه با 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 میدهد 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 به صورت دقیق کنترل کرد، امکان افزایش بازده واکنش، کاهش انرژی مورد نیاز و بهبود پایداری کاتالیزورها فراهم خواهد شد.
این مطالعه همینطور نشان میدهد تعامل میان نیکل و آهن، یکی از عوامل اصلی 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 سامانه را ارتقا دهد.
پژوهشگران در آخر تاکید می کنند که نتایج این پژوهش، 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 سامانه 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.
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 کند. 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. این مسئله نشان میدهد تشکیل این گونه های شیمیایی صرفاً یک پدیده گذرا نیست، بلکه بخشی از خصوصیت پایدار ساختار ماده شمرده می شود.
منبع: آزینیك
این مطلب آزینیک را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط آزینیک
نظرات خوانندگان آزینیک در مورد این مطلب
لطفا شما هم در مورد این مطلب نظر دهید