یک مطالعه نظری بر روی اکسیدهای فلزی، مواد کاندید بالقوه ای را برای تولید سوخت هیدروژنی از آب و نور خورشید شناسایی کرده است.

رویای یک اقتصاد هیدروژنی سبز، متکی بر یافتن موادی است که می توانند به طور موثری از نور خورشید برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده کنند. اکنون اسمایلا دابو Ismaila Dabo و همکارانش از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، یک کاوش نظری بر روی این به اصطلاح فوتوکاتالیست ها انجام داده اند که نوع ویژه ای از اکسید فلزی را هدف قرار داده است [1]. گروه، 9 کاندیدای امیدوار کننده پیدا کرده که سه تای آنها هرگز پیش از این برای کاربردهای شکافت آب (water-splitting) مطرح نشده بود. نتایج، موازنه ای بین ویژگیهای ماده را برجسته می کند که شاید توسعه فوتوکاتالیست در آینده را راهبری کند.

ماشین های هیدروژنی و دیگر وسایل نقلیه می توانند تولید گاز گلخانه ای صفر داشته باشند. اگرچه، تولید هیدروژن در حال حاضر به سوخت های فسیلی وابسته است. دابو می گوید جایگزین های سازگار با محیط زیست وجود دارند، اما آنها باید به بازده های شکافت آب بیشتر از 10 درصد دست یابند تا از نظر هزینه به صرفه باشند. برای یافتن این گزینه ها، دابو و همکارانش یک پایگاه داده از اکسیدهای فلزی را آزمایش کردند. گروه، 109 اکسید را که شامل عناصر هر دو بلوک p (مثلا ایندیوم و سرب) و s (مثلا سزیوم و کلسیم) بودند، هدف قرار دادند، زیرا پژوهش قبلی دریافته بود که این ترکیب ویژگیهای شکافت آب خوبی را به نمایش می گذارد [2].

پژوهشگران، به منظور شناسایی اکسیدهای هدف با جذب خورشیدی قوی، محاسبات ساختار نواری را انجام دادند. سپس اکسیدها را بر مبنای ویژگیهای انتقال الکترون پیش بینی شده ی مواد انتخاب کردند که به واکنش های شکافت آب مرتبط باشند. آنها همچنین پایداری آبی مواد را مورد مشاهده قرار دادند، زیرا یک ماده ایده آل نباید در آب تجزیه شود. با به کار بستن همه این معیارها، 9 کاندیدای بالقوه پیدا کردند، اما بازده های تخمین زده شده همه زیر 10 درصد بود. دابو و همکارانش دریافتند که مواد با بازده بالاتر پایداری کمتری در آب دارند. با در نظر گرفتن این موازنه، آنها ساختن اکسیدهای فلزی با یک هسته مولکولی پر بازده، احاطه شده توسط یک پوسته پایدار آب-محافظ را پیشنهاد می دهند.

1. 1. S. Gelin et al., “Ternary oxides of s- and p-block metals for photocatalytic solar-to-hydrogen conversion,” PRX Energy 3, 013007 (2024).

2. Y. Xiong et al., “Optimizing accuracy and efficacy in data-driven materials discovery for the solar production of hydrogen,” Energy Environ. Sci. 14, 2335 (2021).

منبع:

A Sunny Path to Green Hydrogen