برگ‌های بی جانی که فتوسنتز می‌کنند

جایگزین کردن انرژی‌های تجدیدناپذیر با انرژی‌هایی مانند انرژی بادی و خورشیدی همواره یکی از دغدغه‌های انسان بوده است. امروز یکی از مهمترین مسائل برای رسیدن به این انرژی‌های نو، نحوه تولید و ذخیره سازی نیروی باد و خورشید است.

ساختار برگ مصنوعی

برگ مصنوعی از سه بخش اصلی تشکیل شده است: دوالکترود (یکی آند و دیگری کاتد) و یک غشا. الکترود آندی از نور خورشید استفاده می‌کند تا مولکول‎‌های آب را اکسید کرده تا الکترون، پروتون ومولکول‌های اکسیژن گازی تولید کند. به این فرآیند واکنش شکاف آب نیز گفته می‌شود.
سپس الکترود کاتدی الکترون‌ها و پروتون‌ها را ترکیب می‌کند.
تا گاز هیدروژن تشکیل شود.
کلیدی‌ترین بخش این سامانه غشای پلاستیکی است که گازهای اکسیژن و هیدروژن تولید شده را از هم جدا نگه می‌دارد. اگر این دو گاز در کنار یکدیگر قرار بگیرند جرقه‌ای تصادفی، می‌تواند منجر به انفجار شود. غشای پلاستیکی این امکان را فراهم می‎‌کند تا سوخت هیدروژنی به دور از گاز اکسیژن تولید شده قرار گیرد و در آخر به داخل لوله‌هایی کشیده و جمع‌آوری شود.
سال 1389/2010 مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا (CaItech) به همراه دیگر موسسه‌های همکارش با هدفی مهم فعالیت خود را آغاز کرد: یافتن روشی مقرون به صرفه برای تولید سوخت فقط با استفاده از نور خورشید، آب و دی اکسید کربن هدف از اجرای این طرح، تقلید از فرایند طبیعی فتوسنتز در گیاهان برای ذخیره نور خورشید در سوخت‌های شیمیایی است. در پنج سال اخیر محققان JCAP در مسیر تحقق این هدف پیشرفت‌های بسیاری داشته‌اند و به تازگی نیز نتایج اولین پروژه خود را گزارش داده‌اند.
آن‌ها موفق به ایجاد اولین سامانه کامل، کارآمد و ایمن برای استفاده از انرژی نور خورشید برای شکاف آب و تولید سوخت هیدروژنی شده‌اند. این پروژه توسط گروهی از محققان به مدیریت «نیت لوییس» دبیر علمی «قطب نوآوری در انرژی» در JCAP و «هری نوآوری در انرژی» در و «هری آتوات» دبیر کل JCAP انجام شد. این سامانه جدید تولید سوخت خورشیدی که برگ مصنوعی نامگذاری شده است، برای نخستین بار در دوم شهریور/24 آگوست امسال در نسخه آنلاین نشریه «انرژی‌انداینوارومنتال ساینس» (Energy and Environmental Science) معرفی شد.

الکترودها

همان گونه گه گفته شد، برگی مصنوعی دارای دو الکترود آندی و کاتدی است. الکترود آندی یافتوآندی ( به دلیل استفاده از انرژی نوری) از دو بخش بالایی و پایینی تشکیل شده است. بخش پایینی از جنس گالیم آرسنید بوده و در واقع بخش اصلی را تشکیل می‌دهد و بخش بالایی که از جنس ایندیم گالیم فسفات است به همراه بخش پایینی انرژی نور خورشید را جذب کرده و باانتقال این انرژی به مولکول‌های آب منجر به انجام واکنش شکاف آب می‌شود. در طی این واکنش مولکول‌های گازی اکسیژن ایجاد شده در پشت الکترود آند جمع می‌شوند، یون‌های هیدروژن (یا در واقع پروتون‌ها) از غشای پلاستیکی عبور کرده و وارد فضای پشت الکترودها می‌شوند و الکترون‌ها از آند عبور کرده و به بخش کاتدی می‌رسند. الکترود کاتدی نیز از جنس گالیم آر سنید بوده و وظیفه اش تولید گاز هیدروژن باانتقال اکترون‌هایی که از آند می‌آیند به یون‌های هیدروژنی است که طی واکنش شکاف آب ایجاد شده و از غشا عبور کرده‌اند.

اکسید شدن توسط آب

مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون و گالیم آرسنیدنور را به شکل کارآیی جذب می‌کنند و به همین دلیل از آن‌ها در صفحه‌های خورشیدی استفاده می‌شود. با این حال این مواد در صورت قرارگیری درمجاورت آب، دچار اکسید شدگی و نهایتا خوردگی در سطح خود می‌شوند، بنابراین برای استفاده مستقیم در تولید سوخت از آب مناسب نیستند یکی از مهم ترین پیشرفت‌هایی که منجر به ایجاد این سامانه شد نتایج مطالعه‌ای بود که در آزمایشگاه Lewis به دست آمد که بر پایه‌ی آن، استفاده از لایه‌ای به ضخامت جند نانومنتر از اکسید تیتانیوم (ماده‌ای که در بسیاری خمیردندان‌ها، رنگ سفید و کرم‌های ضد آفتاب وجود دارد) روی سطح الکترودها می‌تواند این مشکل را با ممانعت از اکسید شدن و خوردگی الکترودها برطرف کند و از طرفی به نور و الکترون‌ها نیز امکان عبور می‌دهد تا سامانه کارآیی خود را از دست ندهد. ضخامت لایه اکسید تیتانیوم در برگ مصنوعی 62/5 نانومتر است که برای ممانعت از اکسیدشدن گالیم آرسنید و پایداری الکترودها کافی است.
غشای پلاستیکی برگ مصنوعی یکی از بخش‌های اصلی برگ مصنوعی، غشای پلاستیکی آن است که از مجاورت گاز اکسیژن و هیدروژن جلوگیری می‌کند وجود این غشا نه فقط برای افزایش کارآیی سامانه موثر است بلکه عامل اصلی حفظ ایمنی دستگاه با جلوگیری از انفجارهای احتمالی نیز به حساب می‌آید. این غشای پلاستیکی طوری طراحی شده است که دارای بار منفی بوده و در نتیجه گازهای اکسیژن و هیدروژن را از یکدیگر جدا نگه می‌دارد و اجازه عبور به آن‌ها را نمی دهد ولی این امکان را به یون‌های هیدروژن (یا همان پروتون‌ها) می‌دهد تا بدون هیچ ممانعتی بین دو سمت غشا در جریان باشند تا بتوانند با گرفتن الکترون‌ها از سمت الکترود کاتدی مدار الکتریکی را کامل کرده و در نهایت منجر به تولید سوخت هیدروژنی شوند.

به طور خلاصه

عملکرد برگ مصنوعی را به این شکل می‌توان خلاصه کرد؛ نور ابتدا به الکترود آندی تابیده می‌شود، الکترودی که توسط لایه‌ای از اکسید تیتانیوم برای جلوگیری از اکسیدشدن و همین طور با لایه‌ای از جنس نیکل به عنوان کاتالیزور پوشیده شده است. انرژی نور خورشید از الکترود‌اند به مولکول‌های آب داده می‌شود و طی واکنش شکاف آب، مولکول‌های اکسیژن گازی، الکترون و پروتون تولید می‌شوند. مولکول‌های اکسیژن توانایی عبور از الکترود و غشای پلاستیکی را ندارند، در نتیجه در فضای جلوی الکترود (سمت آند) جمع و از طریق لوله‌هایی خارج می‌شوند. پروتون‌ها توانایی عبور از غشای پلاستیکی را دارند و در نتیجه به فضای پشت الکترود (سمت کاتد) انتشار پیدا می‌کنند. الکترون‌ها هم از طریق الکترود آند به الکترود کاتدی که دارای یک لایه نیکل مولیبدیم برای کاتالیز تولید مولکول هیدروژن است منتقل می‌شوند و در آنجا به پروتون‌هایی که به فضای سمت کاند انتشار یافته‌اند منتقل شده و باعث ایجاد مولکول‌های هیدروژن گازی شکل می‌شوند که این مولکول نیز از طریق لوله‌هایی مجزا خارج شده و جمع آوری می‌شوند. سامانه برگ مصنوعی از قطعات کاملا پایداری تشکیل شده است که با یکدیگر ادغام شده و قطعه‌ای یکپارچه را ایجاد می‌کنند که مربعی به ضلع یک سانتی متر است و می‌تواند به مدت 40 ساعت پیوسته بدون هیچ کاهشی در عملکرد، 10 درصد از انرژی خورشید را در قالب سوخت شیمیایی ذخیره کند.

استفاده از کاتالیزورهای ارزان

یکی دیگر از نقاط کلیدی این سامانه، استفاده از کاتالیزورهای ارزان در عین حال فعال برای تولید سوخت است. الکترود آند نیاز دارد تا تعادل واکنش شکاف آب، به سمت اکسایش بیشتر آب کشانده شود و در واقع سرعت شکاف آب افزایش یابد که این کار با کاتالیزورها مقدور است. در غیر این صورت آب به مقدار کافی در مجاورت الکترود قرار نمی گیرد و سامانه کارآیی پایینی خواهد داشت. معمولا فلزات کمیاب و گران قیمتی مانند پلاتینیم به عنوان کاتالیزور در واکنش‌های مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرند اما گروه تحقیقاتی پروفسورلوییس متوجه شدند که اضافه کردن لایه‌ای از فلز نیکل (که بسیار ارزان تر و قابل دسترس تر است) به سطح الکترود می‌تواند به عنوان کاتالیزور عمل کرده و سرعت واکنش را افزایش دهد. این لایه دو نانومتری فلز نیکل روی لایه اکسید تیتانیومی که قبلاً اضافه شده قرار می گیرد. نیکل یکی از فعال ترین کاتالیزورهای شناخته شده برای انجان واکنش شکاف مولکول آب به الکترون، پروتون و اکسیژن بوده و استفاده از آن برای بهره وری بالای دستگاه ضروری است. الکترود کاتدی که از پشت به الکترود آندی متصل شده است نیز برای انجام واکنش تولید هیدروژن نیاز به کاتالیزور مخصوص خود دارد. روی این الکترود هم لایه‌ای مشابه لایه قبلی ولی از جنس نیکل مولیبدیم اضافه شده است تا تولید گاز هیدروژن نیز با سرعت مطلوب انجام گیرد.

فتوسنتز طبیعی و مصنوعی

فرآیند فتوسنتز در گیاهان از دو مرحله اصلی تشکیل شده است، مرحله اول مربوط به واکنشی است که با کمپلکس، پروتئینی با نام فتوسیستم-2 انجام می‌شود که در آن اتم‌های منگنز موجود در کمپلکس از انرژی نور خورشید برای اکسید کردن مولکول‌های آب استفاده می‌کنند و منجر به تولید و مولکولهای اکسیژن یون‌های هیدروژن شده و در این بین به ازای هر مولکول آب یک جفت الکترون پرانرژی تولید می‌شود که انرژی آن‌ها در مرحله دوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. مرحله دوم که مستقل از نور بوده و مستقیما نیازی به وجود نور خورشید برای انجام دادن ندارد مربوط به زنجیره‌ای از واکنش‌ها با عنوان چرخه کالوین است که در آن‌ها از مولکول‌های کربن دی اکسید برای تولید گلوکز استفاده می‌شود. محققان در حوزه فتوسنتز مصنوعی به دنبال مدل سازی واکنش‌های این دو مرحله با کمک فتوکاتالیزورها هستند. تا به امروز مدل‌های متفاوتی برای شبیه سازی واکنش‌های مرحله اول برای اکسایش آب بررسی شده است که از بین آن‌ها می‌توان به استفاده از صفحات سیلیکونی و حتی استفاده از نور ماورای بنفش اشاره کرد. اما متاسفانه در بین این روشها هیچ یک مقرون به صرفه نبوده یا کارآیی کافی نداشتند تا اینکه JCAP برای اولین با توانست نسخه‌ای از برگ مصنوعی راطراحی کند که کارآیی قابل توجهی داشته و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه است.
منبع مقاله :
ماهنامه دانشمند/ سال پنجاه و دوم/ شماره 7- مهر 1394.