به گزارش تیکنا، در مسیر جهانی برای دستیابی به انرژی پاک و مقابله با تغییرات اقلیمی، هیدروژن سبز به عنوان یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌ها برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی مطرح شده است. این سوخت پاک می‌تواند بدون تولید گازهای گلخانه‌ای، انرژی لازم برای صنایع سنگین، نیروگاه‌ها و حتی حمل‌ونقل را فراهم کند.
اما یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در مسیر گسترش هیدروژن سبز، هزینه بالا و کمبود مواد گران‌قیمتی چون ایریدیوم در فرآیند تولید آن است. اکنون، محققان دانشگاه رایس (Rice University) در آمریکا با دستاوردی چشمگیر، توانسته‌اند این مانع بزرگ را تا حد زیادی برطرف کنند.
کاهش چشمگیر مصرف ایریدیوم
تیم تحقیقاتی دانشگاه رایس، به سرپرستی هائوتیان وانگ، دانشیار مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی، موفق شده‌اند کاتالیزور جدیدی طراحی کنند که مصرف ایریدیوم را در الکترولیزورهای غشای تبادل پروتون (PEM) بیش از ۸۰ درصد کاهش می‌دهد.
این دستاورد می‌تواند تولید هیدروژن سبز را مقرون‌به‌صرفه‌تر، پایدارتر و در مقیاس صنعتی قابل اجرا کند. وانگ می‌گوید: «با کاهش چشمگیر مصرف ایریدیوم، یکی از بزرگ‌ترین تنگناهای اقتصادی و زنجیره تأمین در اقتصاد هیدروژنی برطرف می‌شود.»
در حال حاضر، الکترولیزورهای PEM برای تحمل محیط‌های اسیدی شدید، وابسته به ایریدیوم هستند؛ فلزی که یکی از کمیاب‌ترین عناصر در کره زمین محسوب می‌شود و قیمت آن حدود ۱۶۰ دلار برای هر گرم است. به گفته وانگ، اگر مصرف ایریدیوم کاهش نیابد، تقاضای آینده از سوی صنعت الکترولیز می‌تواند به تنهایی بیش از ۷۵ درصد از کل عرضه سالانه جهان را مصرف کند. شرایطی که به هیچ عنوان پایدار نیست.
طراحی نوآورانه در مقیاس اتمی
برای حل این مشکل، پژوهشگران دانشگاه رایس با همکاری شرکت De Nora Tech روشی خلاقانه ابداع کردند. در این روش، اتم‌های ایریدیوم به جای آن‌که سطح کاتالیزور را بپوشانند، درون یک شبکه اکسید روتنیوم (RuO₂) جای‌گذاری شدند.
با استفاده از شبیه‌سازی‌های نظری تابعی چگالی (DFT) و مدل‌های مونت‌کارلو، تیم تحقیق توانست آرایش بهینه اتم‌ها را پیش‌بینی کند تا بیشترین پایداری و کارایی حاصل شود.
توماس سنفتل، دانشیار دیگر در این پروژه، توضیح می‌دهد: «شبیه‌سازی‌های ما نشان داد که اتم‌های ایریدیوم در لایه‌های زیرسطحی، نقش حیاتی در محافظت از اتم‌های روتنیوم بالایی دارند و از حل شدن آنها در شرایط شدید الکتروشیمیایی جلوگیری می‌کنند.»
ماده جدید با دوام صنعتی
نتیجه‌ی این پژوهش، سنتز ماده‌ای جدید به نام Ru₆IrOₓ است که نسبت شش به یک از روتنیوم به ایریدیوم دارد. این ماده توانست در آزمایش‌ها، چگالی جریان ۲ آمپر بر سانتی‌متر مربع را در شرایط صنعتی برای بیش از ۱۵۰۰ ساعت با کمترین میزان تخریب حفظ کند.
به گفته سنفتل، راز موفقیت این کاتالیزور در «توزیع یکنواخت ایریدیوم» در سراسر ساختار اکسید است. این یکنواختی باعث می‌شود اتم‌های ایریدیوم بتوانند اتم‌های مجاور روتنیوم را در شبکه تثبیت کنند و از تخریب ساختار جلوگیری نمایند.
شرکت De Nora Tech عملکرد صنعتی این ماده را نیز تأیید کرده است. در آزمایش‌هایی با الکترولیزور PEM با مساحت ۲۵ سانتی‌متر مربع، کاتالیزور جدید با میزان اندکی از فلز ایریدیوم، عملکردی مشابه سیستم‌های گران‌قیمتِ ایریدیوم خالص از خود نشان داده است.
وانگ تأکید می‌کند: «نتایج ما نشان می‌دهد که برای رسیدن به دوام و کارایی بالا، نیازی به استفاده از مقادیر زیاد ایریدیوم نیست. این کشف می‌تواند راه را برای تولید انبوه و مقرون‌به‌صرفه‌ی الکترولیزورهای پیشرفته باز کند.»
تأثیر اقتصادی و علمی
تحلیل اقتصادی تیم رایس نشان داد که جایگزینی اکسید ایریدیوم سنتی با ماده‌ی جدید Ru₆IrOₓ می‌تواند هزینه‌ی کاتالیزور آند را بیش از ۸۰ درصد کاهش دهد. علاوه بر صرفه‌جویی مالی، این فناوری خطر وابستگی به نوسانات قیمت جهانی ایریدیوم را نیز کاهش می‌دهد.
از دیدگاه علمی، این پروژه رویکرد تازه‌ای در طراحی مواد کاتالیزوری ارائه می‌دهد: به جای پوشش دادن سطح برای محافظت، پایداری از درون ساختار تأمین می‌شود.
سنفتل در توضیح این دیدگاه می‌گوید: «این پژوهش نشان داد که همکاری نزدیک میان نظریه و آزمایش می‌تواند منجر به کشف‌های تحول‌آفرین شود. ما فهمیدیم که چگونه مقدار اندکی ایریدیوم می‌تواند کل شبکه اکسید را در برابر تخریب پایدار کند.»
پژوهش جدید دانشگاه رایس که با حمایت بنیاد ولچ، بنیاد پاکارد و بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) انجام شده، گامی بزرگ در مسیر تحقق اقتصاد جهانی هیدروژن محسوب می‌شود.
اگر فناوری‌هایی مانند این بتوانند الکترولیزورهای تولید هیدروژن را ارزان‌تر، بادوام‌تر و کمتر وابسته به عناصر کمیاب کنند، آنگاه هیدروژن واقعاً می‌تواند به سوخت پاک و جهانی آینده تبدیل شود.
این مطالعه مهم در مجله معتبر Nature Nanotechnology منتشر شده و نویدبخش آینده‌ای است که در آن تولید انبوه هیدروژن سبز نه‌تنها ممکن، بلکه مقرون‌به‌صرفه نیز خواهد بود.
