اقتصاد دانش بنیان

اقتصاد وابسته به انرژي پاک هميشه در چند قدمي ما به نظر ميرسد، ولي هيچگاه به آن دست پيدا نميکنيم. همچنان بيشتر انرژي مورد نياز صنعت حمل و نقل، گرمايش و سرمايش و کارخانجات از منابع سوخت فسيلي تامين ميشود، ولي با چند ابداع علمي، هيدروژن که وافرترين عنصر جهان ماست ميتواند منبع سوخت اصلي ما در جامعه پيش رو با انرژي پاک باشد.

يک گروه تحقيقاتي از دانشگاههاي ايالتي پن و فلوريدا قدمي رو به جلو گذاشته است و کاتاليستي مقرون به صرفه و با قابليت توليد انبوه توليد کرده که ميتواند در فرايند شکافت آب، هيدروژن خالص توليد کند.

يو لي، دانشجوي دکتري دانشگاه پن و يکي از نويسندگان مقالهاي در مجله ايسياس نانو (ACS Nano) است که اين کاتاليست جديد شکافت آب را که او و همکارانش به آن دست يافته و در آزمايشگاه توليد کرده اند، توصيف ميکند. وي ميگويد: «انرژي اساسيترين مسئله اين دوران است. به همين علت سلولهاي سوخت از اهميت ویژه ای برخوردارند و در مقايسه با ساير سلولهاي سوخت، هيدروژن اهميت بيشتري دارد. مدت زيادي است که دانشمندان به دنبال يافتن کاتاليستي هستند تا بتوان به طور کارآمد آب را به هيدروژن و اکسيژن تقسيم کرد. نکته قابل توجه اين است که اين فرايند، هيچ محصول جانبي ناسازگار با طبيعت و خطرآفرين ندارد.»

روش رايج توليد هيدروژن به صورت صنعتي، اصلاح بخاري گاز متان (Steam Reforming Of Methane) است که باعث انتشار بخار آب در اتمسفر ميشود و اثر گلخانهاي دارد. روشهاي ديگر مانند استفاده از گرماي تلفشده نيروگاههاي اتمي يا انرژي خورشيدي متمرکزشده نيز هر يک با چالشهاي فني رو به رو هستند و از نظر اقتصادي عملي نيستند. يک فرايند صنعتي ديگر، استفاده از پلاتين به عنوان کاتاليست براي فرايند شکافت آب است. اگرچه استفاده از پلاتين براي اين منظور کارآمد و بدون مشکل است، ولي قيمت بالاي اين عنصر باعث ميشود اين کار صرفه اقتصادي نداشته باشد. بنابراين توليد يک کاتاليست ارزانقيمت ميتواند هيدروژن را در حمل و نقل و سلولهاي انرژي مورد استفاده براي ذخيره انرژي، به جايگزين مناسبي براي سوختهاي فسيلي بدل کند.

محققين اين گروه پيشبيني کرده اند که موليبدن ديسولفيد (MoS2) ميتواند جايگزين مناسبي براي پلاتين باشد، چراکه انرژي آزاد گيبس (Gibbs Free Energy) براي جذب هيدروژن نزديک به صفر است. اين بدان معناست که انرژي خارجي بسيار کمي براي انجام واکنش شيميايي لازم است.

با اين وجود، از نظر عملي اشکالاتي در استفاده از موليبدن ديسولفيد به عنوان کاتاليست وجود دارد. موليبدن ديسولفيد در حالت پايدار به شکل نيمههادي است. به همين علت توانايي محدودي براي هدايت الکترونها دارد. اين تيم تحقيقاتي براي حل اين مشکل به آن اکسيد گرافن اضافه کرده که نوعي کربن با رسانايي بالاست. سپس براي کاهش انرژي آزاد، آنها آلياژي از ترکيب موليبدن ديسولفيد و تنگستن توليد کرده اند. اضافه شدن تنگستن باعث ميشود که ولتاژ برق مورد نياز براي شکافت آب تا نصف کاهش يابد. يعني به جاي 200 ميليولت براي موليبدن ديسولفيد خالص، تنها 96 ميليولت براي آلياژ موليبدن ديسولفيد و تنگستن احتياج است.

فرايند شکافت آب از انرژي برقي بسيار کمي بهره ميگيرد که به الکترودهاي غوطه ور در آب وصل ميشود. با استفاده از اين مقدار برق، پروتونهاي محلول ميتوانند به سطح کاتاليست جذب شوند. سپس دو پروتون با هم ترکيب ميشوند و يک حباب هيدروژن شکل ميدهند که به سطح ميآيد و منتشر ميشود.

از نگاه نظري، الکترونهاي اوربيتال نيز نقش مهمي ايفا ميکنند. اگر از موليبدن ديسولفيد خالص استفاده شود، الکترونهاي دوار در مرحله اصلي واکنش همپوشاني مناسبي با هيدروژنهاي اوربيتال ندارند؛ ولي با استفاده از اين آلياژ، اوربيتالها بهخوبي با يکديگر تعامل دارند و واکنش را کارآمدتر ميکنند. اين يعني ايجاد شرايطي شبيه به وقتي که از پلاتين به عنوان کاتاليست استفاده ميشود و دليل اصلي مصرف پايين انرژي با استفاده از پلاتين است. با اين حال، اين تيم تحقيقاتي نشان داد که عناصر ارزانتر و فراوانتري نيز وجود دارند که ميتوانند حتي کارآمدتر از بهترين کاتاليستهاي شناخته شده عمل کنند.

جوز ال مندوزا - کورتز، پروفسور مهندسي شيميايي در دانشگاه ايالتي فلوريدا ميگويد: «در اين ترکيب، يک همپوشاني فوق العاده از اوربيتالها اتفاق ميافتد که واکنش را کارآمدتر ميکند. اين يکي از مواردي است که يک ترکيب بهتر از يک عنصر خالص عمل ميکند.»

سلولهاي سوخت هيدروژني ميتوانند پيشرفت بزرگي در زمينه اقتصاد بر پايه انرژي پاک به وجود آورند. با توجه به مشکلات خودروهاي برقي، اين انرژي هم ميتواند در صنعت حمل و نقل مورد استفاده قرار گيرد و هم ميتواند در ذخيره انرژي برقي خورشيدي يا بادي به کار گرفته شود. فعاليتهاي اين تيم تحقيقاتي ما را به اين هدف بزرگ نزديکتر کرده است.

منبع: مجله دانش بنیان