تبلیغات
پانیذ کیمیا کاوشگر (پانیکا) - فناوری نانو راهی برای تامین انرژی پاک و پایدار

فناوری نانو راهی برای تامین انرژی پاک و پایدار

فناوری نانو انرژی پاکدر حال حاضر فناوری نانو، توجه زیادی را به خود معطوف کرده است. این فناوری امیدواری زیادی را نه فقط در محققان بلکه بین دولت‌ها و صنعت‌گران، برای حل مشکلات موجود به وجود آورده است. یکی از مشکلات مهم جهان امروز، تأمین انرژی است. از طرفی سوخت‌های فسیلی رو به اتمام هستند و از طرفی استفاده از آن‌ها منجر به آلودگی محیط زیست شده است. یکی از راه‌های نویدبخش برای تأمین انرژی پاک و پایدار، استفاده از هیدروژن است. با توجه به محدودیت‌های فناورانه در تولید، ذخیره و تبدیل هیدروژن، هنوز امکان استفاده گسترده از این گاز سبک در حوزه انرژی وجود ندارد. استفاده از نانوفوتوکاتالیست‌ها برای تولید ارزان و پاک هیدروژن از آب و نور خورشید، به کار بردن نانولوله‌های کربنی و نانوذرات آلیاژی فلزات برای ذخیره هیدروژن و استفاده از نانوکاتالیست‌ها برای تبدیل هیدروژن به انرژی می‌تواند راهی برای غلبه بر این محدودیت‌ها باشد. در این مقاله نقش فناوری نانو در تولید، ذخیره و تبدیل هیدروژن مرور شده است [1].
1. مقدمه
در حال حاضر تولید عمده هیدروژن در جهان به وسیله‌ی رفورمینگ گاز طبیعی با بخار صورت می گیرد. این روش بازده‌ای در حدود ۸۰-۷۰ درصد دارد اما نقصی عمده آن تولید CO2 است. به علت قیمت پایین، این روش تولید عمده هیدروژن را طی ۳۰ تا ۵۰ سال آینده به عهده خواهد داشت. یکی از راهکارهای جدید برای تولید هیدروژن، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید، باد، زیست توده، هیدروترمال و ژئوترمال است. با استفاده از این منابع می‌توان الکتریسیته پاک تولید کرد و با آن آب را برای تولید هیدروژن الکترولیز کرد. مشکل اصلی این روش گران بودن آن است و این مهم‌ترین مانع در راه تجاری‌سازی این روش به شمار می‌رود. امروزه تلاش‌ها به سمت تولید مستقیم هیدروژن از منابع تجدیدپذیر متمرکز شده است. در این مسیر، شکافت آب با نانوفوتوکاتالیست‌ها یکی از امیدبخش‌ترین راه‌ها برای تولید مستقیم هیدروژن از انرژی نور خورشید است. این روش هم از لحاظ اقتصادی و هم از لحاظ زیست‌محیطی مناسب است اما هنوز بازده آن کم است. متاسفانه طبق گزارش Royal Society of Chemistry جایگزینی روش‌های فعلی تولید هیدروژن، با روش‌های جدید تا سال ۲۰۳۵ مورد انتظار نیست[1].

2. تولید هیدروژن
امروزه تولید مستقیم هیدروژن استفاده از نور خورشید مورد توجه فراوان قرار گرفته است. زیرا انرژی خورشید رایگان است و تقریبا در بسیاری از مناطق جهان به وفور در دسترس است. انرژی تابش شده به زمین در یک سال معادل ۱۵۰۰۰ برابر انرژی سوختی و اتمی سالانه مورد نیاز زمین است. از این مقدار عظیم انرژی می‌توان برای شکستن مولکول‌های آب به H2 و O2 استفاده کرد.
استفاده از نور خورشید برای تولید هیدروژن مزیت‌های زیر را دارد: انرژی خورشید تجدید پذیر است و تولید هیدروژن با این روش ارزان و پاک است.
موادی که در این مورد به کار می روند فوتوکاتالیست‌ها هستند؛ شکافت آب به وسیله‌ی فوتوکاتالیست‌ها، فوتوسنتز مصنوعی نامیده می‌شود چون انرژی خورشیدی می‌تواند مستقیما به شکل H2 ذخیره شود. فوتوکاتالیست‌ها با جذب نور خورشید، می‌توانند آب را به H2 و O2 تبدیل کنند، بدین منظور می‌توان از نانوذرات نیم‌رساناهایی چون CulnSe2, SiC ,CdS TiO2 و... استفاده کرد. در تصویر ۱ شکل شماتیکی از سیستم شکافنده آب نشان داده شده است. 

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1 . تصویری شماتیک از سیستم شکافنده آب با نور خورشید[1]

از میان نیم‌رساناهای فوق، TiO2 مهم‌ترین گزینه برای تولید H2 است، چرا که از لحاظ شیمیایی بی اثر است، در برابر نور پایدار است و علاوه برای غیرسمی و ارزان است. با این وجود TiO2 دو نقص عمده دارد: گپ انرژی بین نوار ظرفیت و هدایت آن بزرگ است (eV3.2) که این موجب فعال بودن TiO2 در ناحیه‌ای فرابنفش می‌شود، الکترون و حفرہ تولید شدہ‌ در سطح TiO2 می‌توانند به سرعت بازترکیب شوند. کارهای زیادی برای کاهش این نقص‌ها در نانوذرات TiO2 انجام شده است و راه‌هایی نیز بدین منظور ابداع شده است که یکی از آن‌ها اضافه کردن افزودنی‌هایی به این نانوذرات است. این افزودنی‌ها الکترون دهنده‌هایی هستند که به طور برگشت‌ناپذیر با حفره‌های موجود در نوار ظرفیت نانوفوتوکاتالیست واکنش داده و مانع از بازترکیب حفره با الکترون می‌شوند؛ در نتیجه بازده کوانتومی جدایی الکترون/حفره را افزایش می‌دهند. 
از مهم‌ترین افزودنی‌ها می توان به (/I/I-3/;So32-/S-2/;Ce+4/Ce+3 )هیدروکربن‌ها و نمک‌های کربنات اشاره کرد. با اضافه‌کردن این مواد به نانو فوتوکاتالیست، تولید H2 از طریق شکافت آب افزایش می‌یابد. راه دیگر، اصلاح نانوذرات TiO2 است که با روش‌های زیر انجام می شود: افزودن فلزات نجیبی مانند Pd, Au, Ag,Cu,Niو... به نانوذرات TiO2، دوپ کردن نانو ذرات TiO2 با یون‌ها، که بدین منظور می‌توان از کاتیون‌های فلزات واسطه و فلزات خاکی نادر و یا آنیون‌های نیتروژن و سولفور استفاده کرد. حساس‌سازی، که با رنگ‌ها یا نیم‌رساناهای دیگر انجام می‌شود و ایمپلنت کردن یون فلز. از میان روش‌های فوق، دو روش اخیر از اهمیت بیشتری برخوردارند ]1[. در ادامه به شرح مختصری از این دو روش می پردازیم.

1.2. حساس‌سازی با رنگ
اگر الکترون و حفره در یک نیم‌رسانا، با نوری تولید شود که انرژی آن کمتر از گپ انرژی نیم‌رسانا باشد، فرایند حساس‌سازی رخ داده است. ماده‌ای که این فرایند را موجب می‌شود حساس‌کننده نامیده می شود. این مواد شامل نیم‌رساناهای معدنی با گپ انرژی باریک، فلزات و رنگ‌های آلی هستند. در این فرایند، رنگ‌ها نور مرئی را جذب کرده و از لحاظ الکترونی بر انگیخته می‌شوند، سپس الکترون‌های برانگیخته از رنگ به نوار هدایت نیم‌رسانا تزریق می‌شوند. نتیجه این عمل، تولید الکترون و حفره در نیم‌رسانا با انرژی کمتر است. می‌توان TiO2 را با رنگ‌های مناسب حساس کرد. عملکرد TiO2 حساس شده به نحوه برهمکنش حساس‌کننده به نور وابسته است.
انطباق ساختار الکترونی حساس‌کننده و TiO2، ساختار سطح مشترک بین آن‌ها (مخصوصا ساختار مرز دانه‌ها) و پیوند بین این دو از عوامل کلیدی و اثرگذار در کارایی این سیستم است. رنگ‌های آلی به طور گسترده برای بهبود خواص نوری نانومواد TiO2 به کار می‌روند. این رنگ‌ها کمپلکس‌های فلزات واسطه‌ای هستند که لیگاندهایی چون پلی پیریدین‌ها، فتالوسیانین‌ها و متالوپورفیرین‌ها به آن‌ها متصل‌اند. این لیگاندها دارای حلقه‌های هتروسیکلی نیتروژن‌دار و حلقه‌های آروماتیک با الکترون‌های غیر مستقر هستند. مراکز فلزی این رنگ ها معمولا فلزاتی چون (III) Al و Fe (II) ، Mg (II)، Zn (II) ، Ru (II) هستند. این رنگ‌ها از طریق گروه‌های عاملی خود به سطح نانوذرات TiO2 متصل می‌شوند. این اتصالات می‌تواند از طریق پیوندهای کووالانسی و هیدروژنی و یا از طریق نیروهای الکترواستاتیکی و واندروالسی برقرار شود. بیشتر رنگ‌ها از طریق پیوندهای کووالانسی اتصال برقرار می‌کنند. گروه‌هایی چون سیلانیل -O-Si- ، امید -(NH-(C=O- ، کربوکسیل -(O-(C=O- و فسفوناتو-HPO2)-O)۔ می‌توانند اتصالات پایداری را با گروه‌های هیدروکسیل سطح TiO2 تشکیل دهند [2].

از مزایای حساس‌سازی با رنگ می‌توان به افزایش بازده برانگیختگی الکترونی نیم‌رسانا و پهن‌کردن طیف جذبی آن و از معایب آن می‌توان به چند مرحله‌ای بودن سنتز رنگ و قیمت بالای آن و پایداری حرارتی و فوتوشیمیایی پایین رنگ‌ها اشاره کرد. به این دلیل بیشتر تلاش‌ها برای جانشینی این رنگ‌ها با نانوذرات نیم‌رسانای با گپ انرژی باریک تمرکز یافته است ]4[.

2.2. ایمپلنت‌کردن یون
از زمان کشف اثر حساس‌سازی با نور (photosensitization) در نانوذرات TiO2 تحقیقات زیادی برای توسعه صنعتی آن انجام شده است. برای به کارگیری TiO2 به عنوان فوتوکاتالیست، دو مشکل وجود دارد: بازده کوانتومی TiO2 پایین است و این ماده در طول موج‌های کوتاه فعال می‌شود. برای حل مشکل دوم و در واقع برای پهن‌کردن طیف جذبی نانوذرات TiO2 فعالیت‌های زیادی صورت گرفته است. Yamashita و همکارانش نشان داده‌اند که ایمپلنت‌کردن نانوذرات TiO2 با فلزات واسطه راهی موثر برای حل این مشکل است ]3[. ایمپلنت کردن یون، فرآیندی در مهندسی مواد است که طی آن یون‌های یک ماده به درون جامد هدف (که معمولا نیم‌رسانا است) ایمپلنت می‌شوند. این عمل باعث تغییر شیمیایی و ساختاری جامد هدف می‌شود. اجزای اصلی دستگاه ایمپلنت‌کننده یون عبارتند از: منبع یون که یون‌های مورد نظر را تولید می‌کند، یک شتاب دهنده که یون‌ها را شتاب می‌دهد و آن‌ها را پرانرژی می‌کنند و یک محفظه که در آن یون‌ها به جامد هدف برخورد می‌کنند. از مهم‌ترین کاربردهای این تکنیک، دوپ کردن نیم‌رساناها است. با این روش می‌توان ماده دوپ‌شونده را به صورت خیلی خالص به نیم‌رسانا دوپ کرد. و این یک مزیت مهم برای این تکنیک محسوب می‌شود. از معایب این روش می¬توان به موارد زیر اشاره کرد: آسیب زدن به شبکه بلوری جامد هدف، آمورف‌کردن جامد کریستالی در اثر برخورد یون‌های پرانرژی و پراندن اتم‌های سطح جامد ]7[.

3. ذخیره هیدروژن
بیشتر سیستم‌های ذخیره H2غیرمؤثرند، مثلا ظرف‌های فشاری برای ذخیره‌ی H2به صورت گازفشرده، حجیم و سنگین‌اند و ذخیره H2به صورت مایع به دمای بسیار پایینی نیاز دارد. درحال حاضر جذب H2بر روی مواد جاذب، چه به صورت شیمیایی و چه به صورت فیزیکی از بهترین راه‌ها برای ذخیره H2 است. اما این روش‌ها نیز دارای نقایص مهمی هستند مثلا در جذب شیمیایی H2خیلی محکم به ماده جاذب متصل می‌شود و برای رهاسازی آن به دمای بالایی نیاز است. از طرفی برای جذب زیاد، در جذب فیزیکی به دمای بسیار پایین نیاز است. استفاده از نانومواد برای جذب H2مورد تحقیقات وسیعی است چراکه مساحت سطحی نانومواد(1000m2⁄g) زیاد است. از نوید بخش‌ترین مواد در این حوزه می‌توان به نانولوله‌های کربنی چند دیواره (MWCNT) و تک دیواره (SWCNT) اشاره کرد. متاسفانه نتایج مطالعات در زمینه جذب هیدروژن در نانولوله‌ها بحث برانگیز است. بعضی از آزمایشگاه‌ها چگالی جذب هیدروژن را بالای 10 درصد وزنی گزارش داده‌اند در حالی که آزمایشگاه‌های دیگر چگالی جذب را با همان سیستم0/4 درصد وزنی گزارش داده‌اند. درجه هیدروژناسیون نانولوله‌های کربنی به قطر آن‌ها وابسته است، مشاهده شده است که برای نانولوله‌های با قطر 2nm، هیدروژناسیون نانولوله صد در صد صورت می‌گیرد و این کمپلکس در دمای اتاق پایدار است ]1[. برهمکنش کربن- هیدروژن، علاوه بر نانولوله‌ها در مولکول‌های چندوجهی کوبان (С8 Н8)، دود کاهدران ( С20 Н20) و ایزومرهای مختلفС60Нn مطالعه شده است. در شکل ۲، تصویری از جذب هیدروژن بر روى این مواد نشان داده شده است. نیاز به اطلاعات بیشتر، در برهم‌کنش هیدروژن با این مواد احساس می‌شود. شناخت بیشتر این مواد و نحوه برهم کنش هیدروژن با این مواد نوید آینده درخشانی را در این حوزه می دهد ]8[.مواد دیگری که برای ذخیره H2مورد توجه‌اند هیدریدهای فلزات و آلیاژها هستند. استفاده از نانو ذرات موادی چون MgH2، NaALH4، LaNi5 , FeTi ,MgNi2,ZrV2 دوپ‌شده با نانوذرات Τi در این مورد به کار می‌رود. این مواد از نظر هزینه و ایمنی نسبت به روش‌های فعلی، در جایگاه مناسبی قرار دارند. در این مواد اتم‌های هیدروژن در شبکه فلز و الیاژ قرار می‌گیرد ]1[.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2 . سه ساختار نانو کربنی با هیدروژن متصل به آن. a : کوبان ، b: دودکاهدران ، c: نانولوله کربنی ]8[

4. تبدیل هیدروژن با استفاده از پیل‌های سوختی
پیل‌های سوختی وسایلی الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی H2 را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. در یک پیل سوختی هیدروژنی، H2و O2بدون احتراق، و در یک واکنش الکتروشیمیایی (عکس الکترولیز) ترکیب می‌شوند و جریان الکتریکی را مستقیما تولید می‌کنند.
مانع اصلی در راه تجاری‌سازی پیل‌های سوختی، هزینه‌ی بالای ساخت و موادگران قیمت مورد استفاده برای ساخت الکترودها (صفحات دوقطبی)، الکترولیت‌ها، غشاها و کاتالیست‌ها (مخصوصا پلاتین که قیمت بالایی دارد) است. نقش فناوری نانو در این زمینه، کاهش چشم گیر هزینه و بهبود بازده است. بیشتر از ۳۰۰ مقاله بر روی نقش فناوری نانو در پیل‌های سوختنی در سال ۲۰۰۸ در مجلات علمی به چاپ رسیده است که نشان از اهمیت این موضوع است. هم اکنون قیمت بالای الکترودهای پلاتینی و ماده نگه‌دارنده‌ای که پلاتین بر روی آن قرار گرفته و کارایی کم غشا مانع از کاربرد وسیع پیل‌های سوختی است. 
قیمت الکترود می‌تواند با کم کردن پلاتین مورد استفاده و افزایش پایداری آن کاهش داده شود به علاوه قیمت الکترود مستقیما به ماده نگه‌دارنده کاتالیست و تأثیر آن بر روی فعالیت کاتالسیت وابسته است. الکترودهایی ساخته شده‌اند که مواد نگه‌دارنده آن‌ها نانولوله‌های کربنی چند دیواره هستند، کاربرد این مواد موجب کاهش مصرف پلاتین مورد نیاز به دوسوم مقدار آن در الکترودهای قدیمی شده است. از دیگر مواد نگه‌دارنده مهم می‌توان به نانو فیبرهای کربنی و اکسیدهای رسانامانند SnOx/ITO و TiO2/ITO اشاره کرد. با دوپ‌کردن نانومواد در ساخت غشا نیاز پیشرفت‌هایی حاصل کرده‌اند. در حال حاضر فیلم‌هایی از پلی بنزایمیدازوال (PBI) که با فسفریک اسید دوپ شدہ است به عنوان غشا سنتز شده است. ایجاد تخلخل‌هایی با اندازه نانو در PBI کارایی غشا را افزایش داده و هدایت آن بهبود می‌بخشد.
وقتی به غشاهای نافیونی که از غشاهای مهم در پیل‌های سوختی با غشای پلیمری هستند نانوذرات تیتانیا و دی اکسید قلع افزوده می‌شود هدایت پروتون در آن‌ها افزایش می‌یابد و کارایی آن‌ها در دمای بالا بهبود می‌یابد. در تصویر ۳ ساختار شیمیایی نافیون و PBI (همراه با سازنده‌هایش) آمده است. 
انتظار می‌رود که با به کارگیری فناوری نانو بتوان پیل‌های سوختی با بازده بالاتر و قیمت ارزان‌تر تولید کرد و آن‌ها را به عنوان منابع انرژی پاک و ارزان در مصارف مختلف به کار برد [1].

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. A: ساختار شیمیایی نافیون، B: ساختار شیمیایی PBI به همراه پیش¬سازهای آن. [5 و 6]

۵. نتیجه
تولید، انتقال و استفاده از انرژی پاک و پایدار، با توجه با افزایش جمعیت جهان و مسائل زیست محیطی نیازی ضروری است. مواد جدیدی که فناوری نانو ارائه داده است می‌تواند برای غلبه بر محدودیت‌های فناورانه در این زمینه امیدوار کننده باشد. امروزه برای تولید، ذخیره و تبدیل هیدروژن می‌توان، از نانو کاتالیست‌های موثرتر و مواد نانوساختار برای جذب بیشتر هیدروژن بهره برد. این مواد ساخت پیل‌های سوختی ارزان‌تر و ساده‌تر را تسهیل می‌کنند. امروزه برای جایگزینی روش‌های قدیمی (روش‌های بر پایه کربن) تولید انرژی با روش‌های جدید، پیشرفت‌های فناورانه زیادی نه فقط در تولید انرژی، بلکه در انتقال، تبدیل، ذخیره و استفاده نهایی از انرژی مورد نیاز است. در همه این مراحل با چالش‌های مهم علمی و مهندسی مواجه هستیم. مواد مورد استفاده امروزی قادر به حل همه این چالش‌ها نیستند. با کنترل اندازه، ساختار و آرایش مواد که امروزه متخصصان فناوری نانو قادر به انجام آن هستند می‌توان بر این محدودیت‌ها غلبه کرد[1].

منابـــع و مراجــــع

1. Elena Serrano, Guillermo Rus, Javier Garcia-Martinez, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 2009

2. Xiabo Chen , Samuel S. Mao, Chem. Rev, 107, 2007

3. Xing-Gang Hou , Feng-Huan Hao , Bin Fan , Xue-Nan Gu , Xian Ying , AnDong Liu , Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B,243,2006

4. Jose A. Rodriguez, Marcos Frnandez-Garcia, Synthesis,Properties And Application of Oxide Nanomaterials,2007

5. http://en. wikipedia. org/wiki/file: Nafion_ structure. Png

6. http://en. wikipedia. org/wiki/file:PBI-synthesis. Png

7. http://en. wikipedia. org/wiki/Ion_implantation

8. http://www. ncnr. nist. gov/staff/taner/nanotube/exohydrogen. Html

دوشنبه 20 شهریور 1396 ساعت 12:04 ب.ظ

نظرات

درباره سایت

شرکت پانیذ کیمیا کاوشگر با مسئولیت محدود. ارائه کننده خدمات فناوری نانو با تجهیزات پیشرفته.نهاد ترویجی فناوری نانو. آموزش فناوری نانو به دانش آموزان، دانشجویان و... . انجام پروژه های دانش بنیان

نظرسنجی

آیا از خدمات ما راضی هستید؟



امکانات سایت



برای نمایش تصاویر گالری کلیک کنید


logo-samandehi