تا حالا درباره هیدروژن سبز چیزی شنیدی؟ همون سوخت تمیزی که خیلیا میگن آینده انرژی جهان میشه، چون بدون آلودگی میشه باهاش برق، ماشین یا حتی صنایع شیمیایی رو راه انداخت. اما یه چالشه اساسی این وسط هست: تولید هیدروژن سبز خیلی گرونه، دلیل اصلیش هم اینه که ساخت دستگاه‌های تولید این نوع هیدروژن (که بهشون میگن “الکترولایزر PEM” – اینا دستگاه‌هایی‌ان که با برق، آب رو به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میکنن) نیاز به یه فلز فوق‌العاده کمیاب به اسم “ایریدیوم” داره. این ایریدیوم به قدری نادره که قیمتش الان حدود ۱۶۰ دلار به ازای هر گرم هست! یعنی اگه بخوای هیدروژن سبز بسازی، خیلی سریع هزینه‌ها سر به فلک می‌کشه.
حالا خبر خوب همین‌جاست! یه تیم پژوهشی در دانشگاه رایس (Rice University) تونستن یه کاتالیزور جدید بسازن که مصرف ایریدیوم تو این الکترولایزرها رو بیش از ۸۰٪ کمتر میکنه. معرکه نیست؟
دکتر هاوتیان وانگ، یکی از اساتید شیمی در رایس، گفته: “با کمتر کردن مصرف ایریدیوم، بزرگ‌ترین مانع اقتصادی و زنجیره تامین هیدروژن رو پشت سر میذاریم.” منظورش اینه که اگه همینطور پیش میرفتیم و ایریدیوم کمتر نمی‌شد، فقط همین الکترولایزرها می‌تونستن بیشتر از ۷۵٪ کل ایریدیوم سالانه دنیا رو مصرف کنن که اصلاً منطقی نیست!
حالا این تیم چه جوری تونستن همچین کاری کنن؟ به جای اینکه فقط سطح کاتالیزور رو با ایریدیوم بپوشونن، اومدن اتم‌های ایریدیوم رو داخل یه ساختار کریستالی به اسم “روتنیم اکساید” (Ruthenium Oxide، رو مساله شیمیاییه، یه نوع ترکیب فلزی که تو صنعت زیاد استفاده میشه) جاسازی کردن. نکته‌ش اینه که توی این ساختار، ایریدیوم یه نسبت شیش به یک با روتنیم داره، پس مقدارش خیلی خیلی کمتره.
برای اینکه مطمئن بشن کجا این اتم‌ها رو بذارن که بیشترین تاثیر رو داشته باشه، کلی شبیه‌سازی ریاضی انجام دادن. مثلاً از “تئوری تابع چگالی” (Density Functional Theory – یه روش شبیه‌سازی کامپیوتری واسه مدل کردن اینکه اتم‌ها چطور با هم تعامل دارن) و شبیه‌سازی های مونت کارلو (Monte Carlo Simulations – یعنی یه مدل کامپیوتری با تعداد زیادی حالت تصادفی رو امتحان میکنه تا بهترین جواب رو پیدا کنه) استفاده کردن. طبق نتیجه‌ها، اگه ایریدیوم زیر سطح باشه، باعث میشه روتنیم که رو سطحه، حل نشه و پایداری بیشتری داشته باشه! دکتر سنفتل، همکار پروژه، گفته: “فهمیدیم که جایگاه اتم‌های ایریدیوم دقیقا توی استحکام ساختار خیلی موثره.”
و اما آزمایش صنعتی: این تیم تونستن یه نمونه کاتالیزور با اسم Ru₆IrOₓ بسازن (که همون ترکیب شش اتم روتنیم به یه اتم ایریدیومه) و گذاشتنش توی یه الکترولایزر واقعی با سطح ۲۵ سانتیمتر مربع. نتیجه؟ تقریباً همون کارایی و دوام ساختارهایی که سراسرشون از ایریدیوم ساخته شده بود، اما با کمتر از یک پنجمِ مصرف ایریدیوم! تست‌ها نشون داد که این ماده می‌تونه با چگالی جریان ۲ آمپر بر سانتیمتر مربع (یعنی جریان خیلی زیاد صنعتی) به مدت بیش از ۱۵۰۰ ساعت خوب کار کنه و خراب نشه.
حتی تحقیقات اقتصادی نشون داده اگه این کاتالیزور رو جایگزین نمونه‌های قدیمی کنن، هزینه‌ی کاتالیزور آند (آند همون قسمتی از دستگاهه که اکسیژن رو از آب جدا میکنه) تا بیشتر از ۸۰٪ کمتر میشه! این یعنی هیدروژن سبز خیلی ارزون‌تر و در دسترس‌تر خواهد شد، و تازه تاثیر نوسان قیمت ایریدیوم هم کمتر میشه.
یه نکته جالب‌تر: این روش فقط هزینه ساخت رو کم نمیکنه، بلکه یه سبک جدید توی طراحی کاتالیزور به حساب میاد. یعنی به جای اینکه فقط سطح ماده رو با فلز محافظ بپوشونن، میان از درون کاتالیزور رو پایدارتر میکنن تا کل ساختار موندگارتر بشه. خود تیم تحقیقاتی میگن این یه الگو واسه طراحی کاتالیزورهای آینده‌ست.
این دستاورد توسط بنیاد ولچ، بنیاد پاکارد و بنیاد ملی علوم آمریکا حمایت شده و خبرش رو توی مجله معتبر Nature Nanotechnology چاپ کردن. آخر حرفوانگ اینه: اگه بتونیم الکترولایزرها رو ارزون‌تر، بادوام‌تر و کمتر وابسته به مواد کمیاب مثل ایریدیوم بسازیم، هیدروژن می‌تونه واقعاً یه سوخت جهانی و تجدیدپذیر بشه! و این یعنی باز شدن یه افق جدید واسه آینده‌ی انرژی پاک دنیا.
منبع: +
