تولید هیدروژن سبز از اوره با به‌کارگیری فناوری نانو

محققان با استفاده از الکترودهای دو منظوره حاوی نانوصفحات متخلخل NiO اصلاح شده توانستند اوره را الکترولیز کرده و هیدروژن سبز مولکولی تولید کنند.

به گزارش «انرژی امروز» از ستاد فناوری نانو ایران، به تازگی محققان نشان دادند که می‌توان الکترودهای دو منظوره حاوی نانوصفحات متخلخل NiO اصلاح شده با نقاط کوانتومی از جنس Ni۳S۲ را برای تولید هیدروژن سبز استفاده کرد. در این فناوری هیدروژن از طریق الکترولیز اوره به دست می‌آید.

الکترولیز اوره می‌تواند هیدروژن سبز مولکولی ایجاد کند و در عین حال به مسائل زیست محیطی ناشی از پساب‌های فاضلاب غنی از اوره نیز بپردازد. با این حال، توسعه الکتروکاتالیست‌های بسیار کارآمد، کم هزینه، بسیار واکنش‌پذیر و قوی برای الکترولیز اوره برای سنتز هیدروژن سبز حیاتی است.

هیدروژن به عنوان یک سوخت عالی در نظر گرفته می‌شود و می‌تواند با شکافتن آب یا جدا کردن آن از سایر مولکول‌های حاوی هیدروژن تولید شود. تولید هیدروژن سبز با استفاده از برق ارائه شده توسط منابع انرژی پایدار یک راه حل بالقوه و سازگار با محیط زیست برای مشکلات ذخیره‌سازی انرژی است.

واکنش تکامل اکسیژن (OER) و واکنش تکامل هیدروژن (HER) به ترتیب در آند و کاتد در طی مکانیسم الکترولیز آب اتفاق می‌افتد. متأسفانه، الکتروکاتالیست‌های با کارایی بالا برای الکترولیز آب به دلیل سینتیک واکنش کُند این فرآیندها مورد نیاز هستند. کاتالیزورهای فلزی گروه پلاتین (PGM) اغلب به‌عنوان کاتالیزور HER و OER برای کاهش تلفات هدایت و تسریع سرعت واکنش استفاده می‌شوند.

با این حال، هزینه بالا، در دسترس نبودن و دسترسی محدود این کاتالیزورهای PGM به طور قابل ملاحظه‌ای کاربردهای صنعتی آن‌ها را محدود می‌کند. در نتیجه، روش‌های جایگزین کم‌هزینه برای کاهش هزینه کل و مصرف برق تولید هیدروژن سبز به فوریت مورد نیاز است.

مرحله تعیین‌کننده سرعت (rds) در الکترولیز آب، واکنش تکامل آهسته اکسیژن است که در آند رخ می‌دهد. طبق تحقیقات انجام شده، تقریباً ۸۰ درصد از پساب‌های فاضلاب فرآوری نشده حاوی اوره هر ساله به اکوسیستم زمین ریخته می‌شود و نیترات اوره باعث آلودگی زیست‌محیطی غیر قابل برگشت می‌شود. علاوه بر این، پتانسیل حرارتی واکنش اکسیداسیون اوره (UOR) نسبتاً کم است و باعث می‌شود که الکترولیز اوره برای تولید هیدروژن سبز مطلوب باشد زیرا انرژی کمتری نسبت به شکستن آب مصرف می‌کند.

به تازگی ادعا شده است که تولید هیدروژن سبز با استفاده از الکترولیز اوره، به ویژه با اکسیداسیون اوره آندی، هزینه هیدروژن تولید شده را تا ۳۶ درصد کاهش می‌دهد. در نتیجه، الکترولیز اوره در مقیاس بزرگ ممکن است یک رویکرد مناسب برای تصفیه موفقیت‌آمیز فاضلاب حاوی اوره باشد در حالی که هیدروژن سبز با حداقل مصرف انرژی تولید کند.

نانوذرات مبتنی بر فلزات واسطه (TM) مانند فلزات واسطه مبتنی بر قلیایی‌ها، اکسیدها، سولفیدها و فسفیدها به دلیل عملکرد کاتالیزوری قوی خود نسبت به HER و OER، توجه محققان را برانگیخته است. الکتروکاتالیست‌های مبتنی بر نیکل (Ni) بادوام‌ترین جایگزین‌های کاتالیزور HER و UOR در میان این ترکیبات مبتنی بر TM هستند.

اگرچه اکسیدهای مبتنی بر Ni کاندیدای عالی برای الکترولیز اوره هستند، هدایت ضعیف، سرعت انتقال بار آهسته و جذب ضعیف هیدروژن به شدت عملکرد کاتالیزوری آن‌ها را محدود می‌کند. در این مطالعه، نانو ورق‌های اکسید نیکل نفوذپذیر (NiO) پوشیده شده با نقاط کوانتومی سولفید نیکل (Ni۳S۲) (NiO/Ni۳S۲/NF) به‌عنوان کاتالیزورهای ناهمگن HER و UOR برای الکترولیز اوره ایجاد شدند.

کاتالیزور اکسید نیکل پوشش داده شده با نقاط کوانتومی Ni۳S۲ عملکرد کاتالیزوری و پایداری عالی را در واکنش اکسیداسیون اوره (UOR) نشان داد.