طبیعت سوخت هیدروژنی

تولید هیدروژن

اولین مشکل در مورد طبیعت سوخت هیدروژنی است. در واقع اگر چه هیدروژن یک عنصر فراوان در طبیعت است، این عنصر باید از یک منبع مانند هیدورکربن ها (مثلا متان) تأمین شود. در زمان تولید این ماده از منابع ذکر شده، دی اکسید کربن و یا آب تولید می شود. استخراج هیدروژن از آب در واقع بهتر است. به صورت ایده آل، هیدروژن باید با استفاده از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، انرژی بادی، زمین گرمایی و ... تولید شود. یکی از روش های مطمئن برای تولید هیدروژن، استخراج فوتوشیمیایی آن از آب (با استفاده از نور خورشید) می باشد.
ایده در واقع استفاده از نور خورشید برای تجزیه ی آب و تولید هیدروژن و اکسیژن، می باشد. این کار به صورت روتین و بوسیله ی ارگانیزم های فوتوسنتز در طی 3.5 میلیارد سال است که انجام می شود. اما انجام این کار به صورت مصنوعی، یک چالش واقعی است.
نانوتکنولوژی برای بهبود تجزیه ی نوری آب
در اصل، نور مرئی در طول های کوتاه تر از 500 نانومتر، دارای انرژ ی کافی برای تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن است. به هر حال، آب نسبت به این گستره ی نور، شفاف است و این انرژی را جذب نمی کند. بنابراین، ترکیب یک سیستم دریافت انرژی خورشید و یک سیستم تفکیک آب، برای اجرای این کار، ضروری است.
ساده تر از چیزی که به نظر می رسد، چندین چالش فنی باید پیش از تجاری سازی این تکنولوژی، برطرف شود. جدول 1 هزینه ی تولید هیدروژن از یک سری از منابع را نشان می دهد و نشان می دهد که چگونه تا به امروز، تنها استخراج از منابع فسلی، روش اقتصادی بوده است. بنابراین، تحقیقات اساسی برای فایق آمدن بر محدودیت های فوتوشیمیایی تجزیه ی آب و تولید هیدروژن، ضروری می باشد. در سال 1972، Fujishima و Honda فوتوکاتالیز آب را با استفاده از فوتوآندهای دی اکسید تیتانیم و پلاتین به عنوان الکترود شمارسگر، انجام دادند. اگر چه واکنش انجام شد، پیش از آن که این روش بازده مناسب و اقتصادی پیدا کند، دو مشکل اصلی باید حل شود.
اول اینکه جذب نور محدود شده به پنهای باند مشخص نیمه رسانا (مانند دی اکسید تیتانیم) در یک گستره ی مرئی از طیف نور خورشید. در واقع اصول فوتوولتایی و تفکیک آب بوسیله ی نور خورشید، به شیوه ای مشابه انجام می شود. در واقع این مکانیزم تهییج الکترون است اما نحوه ی تهییج در این دو روش متفاوت است. در واقع در فرایند فوتوولتایی، این جریان استخراج می شود اما در روش تجزیه ی آب، این جریان منجر به انجام واکنش های اکسایش- کاهش می شود.
همانگونه که در بخش قبل گفته شد، نانوتکنولوژی راهی ایمن و مطمئن برای برخی از مشکلات مربوط به تبدیل انرژی خورشید را از طریق مواد نانوساختار، ایجاد می کند. این مواد نانوساختار در واقع نرخ جذب انرژی خورشید بالایی دارند. در این روش، گروه تحقیقاتی تحت نظر دکتر Misra در دانشگاه Nevada آرایه های نانوتیوبی اکسید تیتانیمی تولید کرده است که دارای پهنای باند اصلاح شده، می باشند. این بخش ها برای تجزیه ی آب بوسیله ی نور خورشید، استفاده می شوند.
مشکل دوم در مورد تجزیه ی آب از طریق نور خورشید ، ترکیب مجدد و سریع جفت الکترون- حفره می باشد. این مسئله موجب افت بازده فرایند می شود. به عبارت ساده، فوتوکاتالیست شامل جذب فوتون های خورشیدی در یک ماده ی نیمه رسانا (سطح اکسید تیتانیم) و تبدیل این فوتون ها به الکترون های تهییج شده، می باشد. سپس این الکترون ها به منظور انجام واکنش تجزیه ی آب، استفاده می شود. جفت الکترون- حفره ی تهییج یافته دارای تمایل ترکیب مجدد بالایی هستند. نانوساختارها فرصت به حداقل رساندن این مشکل را فراهم می آورند. رسوب دهی جزیره های فلزی کوچک با اندازه ی زیر 5 نانومتر و از جنس فلزات گران بها و یا نانوذرات، موجب افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی سیستم هایی می شود که در آنها از دی اکسید تیتانیم به عنوان سطح فوتوکالیستی، استفاده شده است. در روش های جدید همچنین استفاده از آرایه های حاوی نانوتیوب های تیتانیا، نانوتیوب های کربنی تک دیواره و فیلم های هماتیتی نانوساختار، متداول شده است.
ذخیره سازی هیدروژن
احتراق هیدروژن یک روش ساده و بدون آلودگی است. به هر حال، یک مشکل در ارتباط با ذخیره سازی و انتقال هیدروژن وجود دارد که در حقیقت، مسئله ی کارآمدی و ایمنی است. این مسئله به سادگی و با مقایسه ی نسبت انرژی به حجم برای هیدوژن گازی (3.0 MJ/L) به بنزین معمولی (32.0 MJ/L) می باشد. این بدین معناست که در یک حجم معین، انرژی تولید شده از هیدروژن تقریباً 10 برابر کمتر از بنزین معمولی است. این مسئله به صورت واضح بیان کننده ی مشکل ذخیره سازی در وسایل هیدروژن سوز است. در واقع یک تانک بزرگ و سنگین برای ذخیره سازی و حمل و نقل مقدار مورد نیاز هیدروژن، ضروری می باشد (شکل 1). برخی از راه حل های ممکنه، در واقع استفاده از هیدروژن مایع (8.5 MJ/L) و هیدروژن تحت فشار و یا ذخیره سازی هیدروژن در حمایت کننده های فلزی جامد مانند کمپلکس های فلزی می باشد. استفاده از هیدروژن فشرده در زمانی مقدور می شود که از تانک ها مایع قوی استفاده کنیم. این مواد باید همچنین دارای خواص عایق کاری خوبی داشته باشند و بتوان آنها را با فشار بالا پر کرد. همچنین این مواد باید در برابر نفوذ گاز هیدروژن نیز مقاوم باشند. در حقیقت این مسائل با استفاده از نانوتکنولوژی قابل حصول می باشد. در حقیقت نانوتکنولوژی منجر به تولید مواد جدیدی با خواص استحکامی و دانسیته ی مناسب می شوند.
بخش های نانوساختار فلزی و جامد
بخش های فلزی جامد در حقیقت بهترین گزینه برای ذخیره سازی هیدروژن می باشند. در این روش، هیدروژن به یک بخش حمایت کننده ی جامد وارد می شود و در زمان نیاز از آن خارج می شود. بزرگترین چالش مطرح شده در اینجا، ماده ای است که ظرفیت و کینتیک تولید مجدد هیدروژن را داشته باشد. بهترین ماده، ماده ای است که بتواند اتصال ضعیفی با هیدروژن ایجاد کند و دمای بالا از آن رها شود. نانوتکنولوژی می تواند در این زمینه وارد شود و موجب توسعه ی مولکول های جدیدی شود که ظرفیت نگهداری هیدروژن بالایی دارند و کینتیک مناسبی برای این کار نیز داشته باشند. محققین در حال توسعه ی نانوموادی هستند که سبک وزن هستند، حجم پایینی دارند و دارای ظرفیت ذخیره سازی بالایی می باشند. این مواد ارزان قیمت بوده و کینتیک بازگشت هیدروژنی از آنها نیز مطلوب است.
دو ماده ی مناسب برای این کار، هیدریدهای فلزی و مواد بر پایه ی کربن (نانوتیوب های کربنی) هستند که دارای یک پیوند متوسط با هیدروژن می باشند. خواص برخی از هیدریدهای فلزی کمپلکس برای استفاده در ذخیره سازی هیدروژن، مانند LiBH_4، NaBH_4 و NaAlH_4 در جدول 2 آورده شده است. در شکل 2 بیان شماتیک مربوط به سدیم آلومینیوم هیدرید (NaAlH_4) نشان داده شده است. ساختار این ماده در واقع به صورت یک نمک تولید شده از یون های سدیم (زرد رنگ) و یک یون کمپلکس از آلومینیوم (نارنجی) و هیدروژن (آبی) می باشد (سایر مثال ها از یون های کمپلکس عبارتند از: یون سولفات و یون فسفات). پیل های سوختی هیدروژنی
به منظور اقتصادی شدن پیل های سوختی هیدروژنی، دو مسئله ی اصلی دیگر نیز باید آدرس دهی شود: یکی طبیعت کاتالیست و دیگری، طبیعت الکترولیت می باشد.
هم اکنون، الکترودهای مورد استفاده در پیل های سوختی، از فلزاتی همچون پلاتین (Pt) تولید می شوند که در حقیقت گران قیمت هستند و نسبت به مونوکسید کربن و ترکیبات گوگرد دار نیز حساس می باشند. این مواد موجب غیر فعال شدن سطح پلاتین می شوند. پیل های سوختی در دماهای بالاتر از 70 درجه ی سانتیگراد کار می کنند، زیرا عوامل سمی در این دماها، تمایل به رسوب دهی دارند. نانوتکنولوژی هم اکنون درگیر بررسی برخی از موضوعات مربوط به سوخت و کاتالیست های مورد استفاده می باشد. بهبودهای انجام شده از طریق نانوتکنولوژی در این زمینه، مشابه بهبودهای مربوط به سطح کاتالیست ها می باشد. در حقیقت استفاده از نانومواد می تواند موجب افزایش دانسیته ی توان شود. در حقیقت، این مواد دارای نسبت مساحت سطحی بیشتر نسبت به حجم هستند. خواص مواد الکتروکاتالیستی، همچنین به اندازه ی ذره ی آنها نیز وابسته است. بنابراین، نانوذرات و نانومواد دارای فعالیت بیشتری نسبت به مواد بالک هستند. این ویژگی می تواند منجر به کاهش در استفاده از فلزات گران بها شود. برای مثال استفاده از نانومواد کربنی همچون مواد حمایت کننده حاوی کاتالیست های پلاتینی، یکی از این راه حل ها می باشد. نانومواد کربنی به صورت خاص مناسب هستند زیرا آنها هم به عنوان یک پایه برای نانومواد پلاتینی، عمل می کنند و هم به عنوان رسانا. نانومواد کربنی مناسب اشکال کربنی حاوی نانوتخلخل، انواع مختلف نانوتیوب و نانوشاخه های تک دیواره می باشند.
پیل های سوختی با غشاء تبادل پروتونی
الکترولیت متداولی که در پیل های سوختی استفاده می شود، عبارتست از KOH . این ماده در دمای 70 درجه ی سانتیگراد، کار می کند. این مسئله منجر به خوردگی الکترودها می شود و عمر پیل سوختی را کاهش می دهد. الکترولیت های جامد در این زمینه، ترجیح داده می شوند. در واقع سلول های سوختی وجود دارند که از غشاهای تبادل پروتونی استفاده می کنند. این غشاها از پلیمرها (مانند تافیون) ساخته شده اند. این غشاها دارای رسانایی پروتونی بالایی هستند که به دلیل وجود مولکول های آب در ساختار آن ایجاد شده است. در پیل های سوختی با غشاء تبادل پروتونی (PEMFC)، یون های پروتونی تولید شده در آنود پلاتینی، از میان غشای رسانا عبور می کنند و به کاتد پلاتینی می رسند. در این بخش، این یون ها با اکسیژن ترکیب می شوند و آب تشکیل می شود (شکل 3 نشاندهنده ی اصول عملیاتی مربوط به یک PEMFC است). پیل های سوختی با غشاء تبادل پروتونی (PEMFC) متداول ترین نوع پیل سوختی است که برای اهداف خودروسازی، تجاری سازی شده است. این کار نتیجه ای از دما عملیاتی پایین آن و سبک بودن ذاتی آنهاست. این پیل ها موجب تولید دانسیته های جریان بالا می شوند و در طی کار، هیچ ماده ی خورنده ای نیز تولید نمی شود.
به هر حال، یکی از زمینه هایی که در مورد این پیل ها، نیازمند اصلاح دارد، طبیعت غشاء جامد نافیونی است. برای مثال، این مواد گران قیمت است و در طی زمان و در دماهای عملیاتی بالاتر از 100 درجه ی سانتیگراد، متحمل تخریب می شود. حفرات این ماده نیز در سطح نانومتری مهندسی نشده اند و بنابراین تخلخل های آن اندازه و توزیع یکنواختی ندارد به نحوی که سایت های فعال موجود بر روی سطح غشاء به صورت تصادفی وجود دارد. سایر الکترولیت های جامد سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته اند اما آنها دارای رسانایی بسیار پایین هستند و دمای عملیاتی مورد نیاز برای آنها نیز بالاست. در این زمینه، نانوتکنولوژی می تواند موجب توسعه ی غشاهای جامد نانوساختاری شود که دارای رسانایی پروتونی خوبی هستند. این کار موجب افزایش بازده سلول می شود. این غشاها شامل غشاهای الکترولیتی سرامیکی (مانند غشاهای فلز- اکسان) و الکترولیت های جامد نانوساختار جامد تولید شده با کنترل در سطح نانومتری، می باشند. علاوه بر این، آرایه های حاوی پیل سوختی، دوام و هزینه های مربوطه، می تواند با استفاده از نانوتکنولوژی بهبود یابدد و سلول های قوی تری تولید شود. این سلول ها قابلیت تحمل دماهای بالاتر را دارند. این مسئله برای برخی کاربردها، مانند اتومبیل، مهم می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff