گروهی از دانشمندان موفق شدهاند با ترکیب نیمهرسانای سیلیکونی و کاتالیزور مولکولی، بخشی از انرژی خورشید را که تاکنون بلااستفاده میماند، برای تولید سوخت و مواد شیمیایی به کار بگیرند؛ دستاوردی که میتواند فرایند تولید سوختهای پاک و کودهای شیمیایی را متحول کند.
دانشمندان راه تازهای برای بهرهبرداری از نور پرانرژی خورشید در تولید سوخت کشف کردهاند؛ روشی که میتواند افقهای جدیدی در فناوری انرژیهای پاک، فتوسنتز مصنوعی و تولید سوختهای هیدروکربنی بگشاید.
گیاهان و جلبکها بهطور طبیعی از نور خورشید برای تولید انرژی و سوخت زیستی استفاده میکنند. اکنون پژوهشگران در «آزمایشگاه ملی راکیز» (NLR) گام مهمی در شبیهسازی این فرایند با استفاده از نیمهرساناها برداشتهاند.
این تیم تحقیقاتی دریافت که یک نیمهرسانای سیلیکونی متصل به یک کاتالیزور مولکولی میتواند بخش پرانرژی نور خورشید را که هم در گیاهان و هم در پنلهای خورشیدی معمولی بلااستفاده باقی میماند، جذب کند. این انرژی میتواند برای انجام واکنشهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد؛ از جمله واکنش میان دیاکسید کربن و آب برای تولید سوختهای هیدروکربنی و مواد شیمیایی، یا حتی تولید کودهای شیمیایی از گاز نیتروژن که حدود ۲۰ درصد از جو زمین را تشکیل میدهد.
کشف الکترونهای «داغ» با عمر طولانیتر
نتایج این پژوهش که در حوزههای «فتوسنتز مصنوعی» و «فوتوکاتالیز» قرار میگیرد، بهتازگی در نشریه علمی معتبر Journal of the American Chemical Society با عنوان High-Energy Hybridized States Enable Long-Lived Hot Electrons in Cobaloxime-Silicon Nanocrystal System منتشر شده است.
نیتن نیل، دانشمند پژوهشی آزمایشگاه NLR و نویسنده اصلی مقاله، درباره اهمیت این یافته گفت: «هدف پژوهش ما این است که مرزهای میزان انرژی قابل استخراج از خورشید را گسترش دهیم و سامانه هیبریدی نیمهرسانا-کاتالیزور مولکولی مورد استفاده در این مطالعه، یکی از مسیرهای ممکن را نشان میدهد.»
به گفته او، پژوهشگران در این سامانه الکترونیکی موفق شدند حالتهایی ایجاد کنند که الکترونهای تولیدشده توسط نور را برای مدت کافی در وضعیت پرانرژی نگه میدارد تا بتوان از آنها در واکنشهای شیمیایی استفاده کرد.
یکی از انگیزههای اصلی این پژوهش آن است که بخش زیادی از انرژی خورشید هنوز مورد استفاده قرار نمیگیرد. برای مثال، پنلهای خورشیدی رایج تنها حدود ۲۰ درصد انرژی نور دریافتی را جذب میکنند. در مقابل، گیاهان و موجودات فتوسنتزکننده تنها حدود یک درصد از انرژی خورشید را به انرژی مفید تبدیل میکنند.
در هر دو حالت، نور خورشید انرژی خود را به الکترونها منتقل میکند؛ اما الکترونهای پرانرژی بهسرعت بخش عمده انرژی خود را به شکل گرما از دست میدهند و همین موضوع موجب کاهش بازدهی میشود.
نیل در توضیح این موضوع گفت: «الکترونهای پرانرژی معمولاً در مواد مختلف خیلی سریع انرژی خود را از طریق ارتعاشات مولکولی از دست میدهند و محیط اطراف را گرم میکنند. اما با ترکیب حالتهای الکترونیکی میان نیمهرسانای سیلیکونی جذبکننده نور و کاتالیزور مولکولی، توانستیم الکترونها را حداقل برای پنج نانوثانیه در وضعیت داغ نگه داریم؛ قابلیتی که میتواند بازده فوتوکاتالیز را بهطور چشمگیری افزایش دهد.»
۲۵ هزار برابر بیشتر از حالت عادی
اگرچه نانوثانیه زمان بسیار کوتاهی محسوب میشود، اما در مقایسه با دهها فمتوثانیهای که معمولاً برای سرد شدن الکترونها ثبت میشود، پیشرفت بزرگی به شمار میآید. پژوهشگران اعلام کردهاند که الکترونهای پرانرژی در این مطالعه حدود ۲۵ هزار برابر بیشتر از زمان معمول در سیلیکون، در حالت «داغ» باقی ماندند.
محققان این موفقیت را از طریق دستکاری شیمی مولکولی سطح نیمهرسانا به دست آوردند. عامل کلیدی در این فرایند، یک گروه اتصالدهنده موسوم به اتیلنپیریدین (ethylenepyridine) بود که نانوکریستال سیلیکونی را به کاتالیزور متصل میکند و امکان شکلگیری یک حالت الکترونیکی هیبریدی را فراهم میسازد.
این یافته، نگاه جدیدی به نقش «پلهای مولکولی» در انتقال انرژی ارائه میدهد. پژوهشگران در نتیجهگیری مطالعه خود تأکید کردهاند که صرفاً نزدیک بودن فیزیکی نیمهرسانا و کاتالیزور برای دستیابی به فرایندهای فوتوشیمیایی کارآمد کافی نیست و نوع اتصال شیمیایی میان آنها نقشی تعیینکننده دارد.
آیندهای برای سوخت، کود شیمیایی و هیدروژن پاک
تیم تحقیقاتی برای تأیید نقش این اتصال مولکولی از چندین روش طیفسنجی استفاده کرد و سپس با انجام محاسبات مکانیک کوانتومی، رفتار دقیق الکترونها را مدلسازی کرد. نتایج نشان داد که حالتهای الکترونیکی ترکیبی، به الکترونهای داغ اجازه میدهد هم در ساختار سیلیکون و هم در کاتالیزور پخش شوند و انرژی خود را برای مدت بیشتری حفظ کنند.
اگرچه فناوری تبدیل مستقیم نور خورشید به سوخت هنوز به مرحله استفاده گسترده تجاری نرسیده، اما این پژوهش نشان میدهد چنین فناوریهایی امکانپذیر هستند. دانشمندان معتقدند با استفاده از این یافتهها میتوان در آینده آب را برای تولید هیدروژن تجزیه کرد یا دیاکسید کربن را به سوختهای هیدروکربنی تبدیل کرد و در نهایت، انرژی بیشتری از نور خورشید به دست آورد.
