کشف مهم پژوهشگران ایرانی و چینی در دنیای انرژی پاک

پژوهش جدید محققان درباره کاتالیزورهای نیکل-آهن نشان می‌دهد نقش آهن در واکنش تولید اکسیژن از آب پیچیده‌تر از تصور رایج است و این موضوع می‌تواند به کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز منجر شود.

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از ستاد نانو، پژوهشگران مؤسسه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان (IASBS) با همکاری محققانی از مؤسسه شیمی فیزیک دالیان وابسته به آکادمی علوم چین و دانشگاه هنان، در مطالعه‌ای جدید نقش گونه‌های مختلف آهن در کاتالیزورهای نیکل-آهن را هنگام انجام واکنش تولید اکسیژن از آب بررسی کرده‌اند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که برخلاف تصور رایج، همه گونه‌های آهن با ظرفیت اکسایش بالا مستقیماً در واکنش تولید اکسیژن نقش ندارند.

بر اساس این مطالعه، آهن موجود در بخش داخلی کاتالیزور بیشتر به ذخیره و انباشت بار الکتریکی کمک می‌کند، در حالی که تنها مقدار اندکی از یون‌های آهن با ظرفیت بالا که روی سطح کاتالیزور قرار دارند، مستقیماً در انجام واکنش مشارکت می‌کنند. این یافته می‌تواند مسیر تازه‌ای برای طراحی کاتالیزورهای کارآمدتر و کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز آب فراهم کند.

تولید هیدروژن سبز از آب، یکی از مهم‌ترین فناوری‌هایی است که می‌تواند به کاهش وابستگی جهان به سوخت‌های فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند. با این حال، یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری، کند بودن واکنش تولید اکسیژن در فرآیند الکترولیز آب است؛ واکنشی که انرژی زیادی مصرف می‌کند و به کاتالیزورهای بسیار کارآمد نیاز دارد. به همین دلیل، شناخت دقیق سازوکار عملکرد این کاتالیزورها، یکی از موضوعات مهم پژوهش‌های حوزه انرژی به شمار می‌رود.

در همین راستا، پژوهشگران مؤسسه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان (IASBS) با همکاری محققانی از مؤسسه شیمی فیزیک دالیان وابسته به آکادمی علوم چین و دانشگاه هنان، نقش یون‌های آهن با ظرفیت اکسایش بالا را در کاتالیزورهای نیکل-آهن طی واکنش تولید اکسیژن (Oxygen Evolution Reaction یا OER) بررسی کرده‌اند. بخش نانویی این پژوهش به کاتالیزورهای نیکل-آهن هیدروکسیدی و اکسی‌هیدروکسیدی مربوط می‌شود که به صورت نانوساختار طراحی شده‌اند و به دلیل سطح ویژه زیاد، تعداد فراوان مراکز فعال و امکان کنترل دقیق ترکیب شیمیایی، از مهم‌ترین نانوکاتالیزورهای مورد استفاده در الکترولیز آب به شمار می‌روند.

واکنش تولید اکسیژن یکی از دو نیم‌واکنش اصلی در الکترولیز آب است و معمولاً سرعت پایین آن، بازده کل فرآیند را محدود می‌کند. طی سال‌های اخیر، کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل و آهن به دلیل هزینه پایین، فراوانی عناصر و عملکرد مناسب، جایگاه ویژه‌ای در تحقیقات انرژی پاک پیدا کرده‌اند. با وجود مطالعات فراوان، هنوز مشخص نبود که دقیقاً کدام گونه‌های آهن در این مواد، نقش اصلی را در انجام واکنش ایفا می‌کنند.

پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش، تغییرات ساختاری و شیمیایی کاتالیزور را در حین انجام واکنش و به صورت برخط (in situ) بررسی کردند؛ روشی که امکان مشاهده مستقیم رفتار ماده در شرایط واقعی عملکرد را فراهم می‌کند. در این مطالعه از مجموعه‌ای از روش‌های پیشرفته شامل طیف‌سنجی مریی، طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS) و طیف‌سنجی موسباور استفاده شد تا تغییرات حالت اکسایش یون‌های آهن و نیکل با دقت بالا ردیابی شود.

نتایج نشان داد یون‌های آهن با ظرفیت اکسایش بالا در ساختار نیکل-آهن، پایداری قابل توجهی دارند و حتی تا 96 ساعت پس از پایان واکنش تولید اکسیژن نیز در ساختار کاتالیزور باقی می‌مانند. این موضوع نشان می‌دهد تشکیل این گونه‌های شیمیایی صرفاً یک پدیده گذرا نیست، بلکه بخشی از ویژگی پایدار ساختار ماده محسوب می‌شود.

در بخش دیگری از پژوهش، محققان نمونه‌ای از هیدروکسید نیکل را با استفاده از ایزوتوپ ^57Fe اصلاح کردند تا یون‌های آهن عمدتاً روی سطح کاتالیزور قرار گیرند. بررسی این نمونه نشان داد که در مرحله تعیین‌کننده سرعت واکنش، گونه چهارظرفیتی آهن (Fe⁴⁺) روی سطح این نمونه قابل شناسایی نیست. این مشاهده، دیدگاه‌های قبلی درباره نقش مستقیم تمام یون‌های آهن با ظرفیت بالا در واکنش را به چالش کشید.

بر اساس تحلیل نتایج، پژوهشگران فرضیه جدیدی ارائه کرده‌اند. مطابق این فرضیه، یون‌های آهن موجود در بخش داخلی یا حجمی کاتالیزور، همانند یون‌های نیکل، عمدتاً وظیفه ذخیره و انباشت بار الکتریکی را بر عهده دارند و مستقیماً در تولید اکسیژن شرکت نمی‌کنند. در مقابل، تنها مقدار بسیار اندکی از یون‌های چهارظرفیتی آهن که روی سطح کاتالیزور قرار دارند، به عنوان مراکز فعال واقعی در انجام واکنش تولید اکسیژن نقش ایفا می‌کنند.

این تفکیک میان آهن سطحی و آهن حجمی، دیدگاه تازه‌ای درباره نحوه عملکرد کاتالیزورهای نیکل-آهن ارائه می‌دهد. در گذشته معمولاً همه گونه‌های آهن با ظرفیت بالا به عنوان مراکز فعال بالقوه در نظر گرفته می‌شدند، اما نتایج این مطالعه نشان می‌دهد محل قرارگیری یون‌های آهن در ساختار کاتالیزور، به اندازه حالت اکسایش آن‌ها اهمیت دارد.

به گفته پژوهشگران، این یافته‌ها می‌تواند راهنمای ارزشمندی برای طراحی نسل جدید کاتالیزورهای الکترولیز آب باشد. اگر بتوان مقدار، محل استقرار و حالت شیمیایی یون‌های آهن را به طور دقیق کنترل کرد، امکان افزایش بازده واکنش، کاهش انرژی مورد نیاز و بهبود پایداری کاتالیزورها فراهم خواهد شد.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد تعامل میان نیکل و آهن، یکی از عوامل کلیدی در عملکرد این کاتالیزورها است. تنظیم دقیق نسبت این دو عنصر و کنترل نحوه توزیع آن‌ها در ساختار نانویی کاتالیزور، می‌تواند مسیر انتقال بار را بهبود داده و عملکرد کلی سامانه را ارتقا دهد.

پژوهشگران در پایان تأکید می‌کنند که نتایج این تحقیق، درک بهتری از نواحی مختلف فعال در واکنش تولید اکسیژن و ارتباط آن‌ها با میزان اضافه‌پتانسیل ارائه می‌دهد. این شناخت می‌تواند زمینه توسعه کاتالیزورهای ارزان‌تر، پایدارتر و کارآمدتر را برای تولید هیدروژن سبز فراهم کند؛ فناوری‌ای که یکی از ارکان اصلی گذار به اقتصاد کم‌کربن و سامانه‌های انرژی پاک در آینده به شمار می‌رود.

نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان A Hypothesis on the Function of High-Valent Fe in NiFe (Hydr)oxide in the Oxygen-Evolution Reaction منتشر شده است.