کاهش ۸۰ درصدی مصرف ایریدیوم در تولید هیدروژن سبز

به گزارش میهن تجارت، در مسیر جهانی دستیابی به انرژی های پاک و مقابله با تغییرات اقلیمی، هیدروژن سبز به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین گزینه ها برای جایگزینی سوخت های فسیلی مطرح شده است. این سوخت پاک می تواند انرژی لازم برای صنایع سنگین، نیروگاه ها و حتی حمل و نقل را بدون تولید گازهای گلخانه ای تامین کند.
اما یکی از بزرگترین چالش ها در توسعه هیدروژن سبز هزینه بالا و کمبود مواد گران قیمت مانند ایریدیوم در فرآیند تولید آن است. اکنون محققان دانشگاه رایس در آمریکا با دستاوردی چشمگیر توانسته اند این مانع بزرگ را تا حد زیادی برطرف کنند.

کاهش قابل توجه مصرف ایریدیوم

یک تیم تحقیقاتی دانشگاه رایس به سرپرستی هائوتین وانگ، دانشیار مهندسی شیمی و بیومولکولی، موفق به طراحی کاتالیست جدیدی شده اند که مصرف ایریدیوم در الکترولیزهای غشای تبادل پروتون (PEM) را تا بیش از 80 درصد کاهش می دهد.

این دستاورد می تواند تولید هیدروژن سبز را مقرون به صرفه تر، پایدارتر و در مقیاس صنعتی قابل اجرا کند. وانگ گفت: “با کاهش چشمگیر مصرف ایریدیوم، یکی از بزرگترین تنگناهای اقتصادی و زنجیره تامین در اقتصاد هیدروژن برطرف خواهد شد.”

در حال حاضر، الکترولیزهای PEM برای مقاومت در برابر محیط های اسیدی قوی به ایریدیوم متکی هستند. فلزی که یکی از کمیاب ترین عناصر روی کره زمین محسوب می شود و قیمت آن حدود 160 دلار در هر گرم است. به گفته وانگ، اگر مصرف ایریدیوم کاهش نیابد، تقاضای آتی صنعت الکترولیز به تنهایی می تواند بیش از 75 درصد از کل عرضه سالانه جهان را مصرف کند. وضعیتی که اصلاً پایدار نیست.

طراحی خلاقانه در مقیاس اتمی

برای حل این مشکل، محققان دانشگاه رایس با همکاری De Nora Tech یک روش خلاقانه ایجاد کردند. در این روش، اتم های ایریدیوم به جای پوشاندن سطح کاتالیزور در داخل یک شبکه اکسید روتنیوم (RuO2) قرار داده شدند.
با استفاده از شبیه‌سازی‌های نظریه تابعی چگالی (DFT) و مدل‌های مونت کارلو، تیم تحقیقاتی توانست آرایش بهینه اتم‌ها را برای دستیابی به حداکثر پایداری و کارایی پیش‌بینی کند.

توماس سنفتل، دانشیار دیگر این پروژه توضیح می دهد: «شبیه سازی های ما نشان داد که اتم های ایریدیوم در لایه های زیرسطحی نقش مهمی در محافظت از اتم های روتنیوم بالایی دارند و از حل شدن آنها در شرایط شدید الکتروشیمیایی جلوگیری می کنند.

مواد جدید با دوام صنعتی

نتیجه این تحقیق سنتز ماده جدیدی به نام Ru₆IrO2 است که دارای نسبت شش به یک روتنیم به ایریدیوم است. در آزمایشات، این ماده توانست چگالی جریان 2 آمپر بر سانتی متر مربع را در شرایط صنعتی به مدت بیش از 1500 ساعت با حداقل تخریب حفظ کند.

به گفته Sanfetel، راز موفقیت کاتالیزور در “توزیع یکنواخت ایریدیوم” در سراسر ساختار اکسید نهفته است. این یکنواختی به اتم های ایریدیوم اجازه می دهد تا اتم های روتنیوم همسایه را در شبکه تثبیت کرده و از تخریب ساختار جلوگیری کنند.

De Nora Tech نیز عملکرد صنعتی این ماده را تایید کرده است. در آزمایشات با الکترولیز 25 سانتی متر مربع PEM، کاتالیزور جدید با مقدار کمی فلز ایریدیوم عملکرد مشابهی با سیستم های گران قیمت ایریدیوم خالص نشان داده است.

وانگ تاکید می کند: «نتایج ما نشان می دهد که برای دستیابی به دوام و عملکرد بالا، استفاده از مقادیر زیادی ایریدیوم ضروری نیست. این کشف می تواند راه را برای تولید انبوه و مقرون به صرفه الکترولیزهای پیشرفته هموار کند.

تاثیر اقتصادی و علمی

تجزیه و تحلیل اقتصادی رایس نشان داد که جایگزینی اکسید ایریدیوم سنتی با ماده جدید Ru₆IrOₓ می تواند هزینه کاتالیزور آند را تا بیش از 80% کاهش دهد. این فناوری علاوه بر صرفه جویی مالی، خطر وابستگی به نوسانات جهانی قیمت ایریدیوم را نیز کاهش می دهد.

از دیدگاه علمی، این پروژه رویکرد جدیدی را در طراحی مواد کاتالیزوری ارائه می دهد: به جای پوشش سطح برای حفاظت، پایداری از داخل سازه تامین می شود.

Senftel در توضیح این دیدگاه می گوید: “این تحقیق نشان داد که همکاری نزدیک بین تئوری و آزمایش می تواند به اکتشافات دگرگون کننده منجر شود.” ما فهمیدیم که چگونه مقدار کمی ایریدیوم می تواند کل شبکه اکسید را در برابر تخریب تثبیت کند.

تحقیقات جدید دانشگاه رایس که توسط بنیاد ولش، بنیاد پاکارد و بنیاد ملی علوم (NSF) حمایت شد، گامی بزرگ به سوی تحقق اقتصاد جهانی هیدروژن در نظر گرفته می‌شود.

اگر فناوری‌هایی مانند این‌ها بتوانند الکترولیزهای تولیدکننده هیدروژن را ارزان‌تر، بادوام‌تر و کمتر به عناصر کمیاب وابسته کنند، هیدروژن واقعاً می‌تواند به سوخت پاک و جهانی آینده تبدیل شود.

این مطالعه مهم در مجله معتبر Nature Nanotechnology منتشر شده و نوید آینده ای را می دهد که در آن تولید انبوه هیدروژن سبز نه تنها امکان پذیر، بلکه مقرون به صرفه نیز خواهد بود.