یافتن راهی جدید برای جذب کامل نور خورشید و تولید هیدروژن

پژوهشگران دانشگاه تهران با طراحی نوعی فوتوکاتالیست جدید توانستند از تمام طیف نور خورشید، از فرابنفش تا فروسرخ، برای تولید هیدروژن استفاده کنند. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه سوخت‌های پاک خورشیدی را هموارتر کند.

به گزارش ایسنا، این دستاورد در قالب مقاله‌ای با عنوان اتصال ناهمگون همدوس مهندسی‌شده در سطح اتمی میان نیترید تیتانیوم و دی‌اکسید تیتانیوم آلاییده با نیتروژن برای افزایش تولید هیدروژن در تمام گستره طیف نوری خورشیدی به کمک پدیده تشدید پلاسمون سطحی موضعی به تألیف مشترک جهانبخش قاسمی، عضو هیئت علمی دانشکده شیمی دانشکدگان علوم دانشگاه تهران، شوجیه ژانگ، یوزی ژانگ، ژائوشِنگ شیا، سیمان مائو، سیبی لیو، جونچائو ژو، شینگانگ رن، ییجین وانگ و شوانهوا لی از دانشگاه‌های «ژئوعلم ووهان» و دانشگاه «پلی تکنیک شمال غرب ووهان» در مجله علمی نانو انرژی منتشر شد.

ترکیب مواد پلاسمونیکِ با قابلیت پاسخگویی به نور فروسرخ با فوتوکاتالیست‌ها، ظرفیت بالایی برای شکافت آب و تولید هیدروژن با نور خورشیدی دارد. با این حال، وجود ناهماهنگی در ساختار شبکه‌ای میان این مواد در مرز مشترک، باعث می‌شود بخش زیادی از فوتون‌های فروسرخ جذب‌شده به‌طور مؤثر مورد استفاده قرار نگیرد.

در این پژوهش، محققان راهبردی جدید مبتنی بر رشد اپیتاکسی هدایت‌شده با آلایش اتمی را ارائه کرده‌اند تا ساختاری ناهمگون و کاملاً همدوس میان نیترید تیتانیوم و دی‌اکسید تیتانیوم آلاییده با نیتروژن ایجاد کنند. این ساختار علاوه بر جذب کامل نور در سراسر طیف خورشیدی، دارای مرز مشترکی با تطابق شبکه‌ای بالا است.

در این فرایند، اتم‌های نیتروژن که از پیش روی سطوح بلوری دی‌اکسید تیتانیوم قرار گرفته‌اند، به‌عنوان مراکز هسته‌زایی عمل می‌کنند و تشکیل پیوندهای کووالانسی میان نیتروژن، تیتانیوم و اکسیژن را هدایت می‌کنند. این موضوع رشد منظم نواحی نانومتری نیترید تیتانیوم را امکان‌پذیر می‌کند.

کنترل دقیق ساختار در مقیاس اتمی، میزان ناهماهنگی شبکه‌ای در مرز مشترک را به‌طور قابل توجهی کاهش داده و ساختار مرزی را از حالت نیمه‌همدوس به حالت کاملاً همدوس تبدیل کرده است. ساختار همدوس ایجاد شده، مسیر انتقال حامل‌های بار را با مقاومت کمتر فراهم می‌کند و انرژی لازم برای انتقال بار در مرز مشترک را کاهش می‌دهد. در نتیجه، حامل‌های داغ تولیدشده بر اثر پدیده پلاسمونیک در نیترید تیتانیوم با کارایی بیشتری استخراج می‌شوند.

نمونه بهینه این ساختار، نرخ بسیار بالایی در تولید هیدروژن نشان داده و عملکردی بهتر از بسیاری از فوتوکاتالیست‌های مبتنی بر دی‌اکسید تیتانیوم گزارش‌شده تاکنون ارائه کرده است. به گفته پژوهشگران، این دستاورد می‌تواند دیدگاه‌های تازه‌ای برای طراحی سامانه‌های فوتوکاتالیستی پلاسمونیک با کارایی بالا فراهم کند و مسیر توسعه فناوری‌های پیشرفته سوخت خورشیدی را گسترش دهد.

بر اساس اعلام دانشگاه تهران، نتایج این پژوهش در نشریه Nano Energy منتشر شده و از طریق این لینک قابل دسترس است.

*