گروهی از دانشمندان چینی از دستیابی به روشی نوآورانه خبر دادهاند که با بهرهگیری از نور خورشید، کربن دی اکسید و آب را به مواد شیمیایی ارزشمند، از جمله اجزای بنیادی بنزین تبدیل میکند. این دستاورد گامی مهم در مسیر تولید سوختهای پایدار به شمار میرود.
به نقل از آیای، این رویکرد با الهام از فتوسنتز که فرایندی است که گیاهان برای تبدیل نور خورشید، آب و کربن دی اکسید به انرژی به کار میبرند، طراحی شده و هدف آن ارائه راهکاری پاکتر و پایدارتر برای تولید سوخت است.
پژوهشگران که از آکادمی علوم چین و دانشگاه علم و فناوری هنگکنگ هستند، مادهای ویژه طراحی کردهاند که قادر است مقدار اندکی انرژی الکتریکی را ذخیره کند؛ قابلیتی که بازده واکنشهای شیمیایی لازم برای تبدیل کربن دی اکسید به ترکیبات مفید را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
پیشرفت در تولید سوخت خورشیدی
با ترکیب این سامانه با کاتالیزورهایی که کربن دی اکسید را به مواد شیمیایی مختلف تبدیل میکنند، پژوهشگران موفق به تولید کربن مونوکسید با انرژی خورشیدی شدند. این ماده میانی میتواند در مراحل بعدی به سوخت تبدیل شود و گزینهای بالقوه برای صنایعی باشد که بهسختی قابل برقیسازی هستند، از جمله هوانوردی و کشتیرانی.
این گروه در مقالهای که هفته گذشته در مجله علمی معتبر Nature Communications منتشر شد، اعلام کرد که روش آنها یک راهبرد الهامگرفته از زیستشناسی برای ذخیره بار الکتریکی ارائه میدهد که کاهش نوری کربن دیاکسید را بهشکل کارآمد ممکن میسازد. بهگفته آنها، این رویکرد مسیری عمومی برای تولید سوختهای خورشیدی فراهم میکند و شکاف مهم میان انرژیهای تجدیدپذیر و کاربردهای صنعتی پرمصرف را پر میکند.
به گفته پژوهشگران، علاقه به تبدیل کربن دیاکسید با کمک نور یا فوتوکاتالیز به عنوان روشی امیدبخش برای کاهش همزمان انتشار گازهای گلخانهای و کاهش فشار بر منابع طبیعی در حال افزایش است. یکی از جذابترین کاربردهای این فناوری، تولید سوختهای خورشیدی است؛ سوختهای مصنوعی که با استفاده از نور خورشید تولید میشوند و از نظر ساختار شباهت زیادی به سوختهای فسیلی دارند و میتوانند با زیرساختهای فعلی سوخترسانی سازگار باشند.
در این فرایند، کربن دیاکسید ابتدا به ترکیبات واسطهای مانند کربن مونوکسید تبدیل میشود و سپس میتوان آن را به هیدروکربنهای مایع تبدیل کرد؛ مسیری بالقوه برای تولید سوختهای پایدار، بدون نیاز به بازطراحی کامل سیستمهای انرژی کنونی.
تقلید از طبیعت برای افزایش بازده فتوسنتز مصنوعی
در تولید سوخت خورشیدی، جایگزین کردن مواد مصرفشونده شیمیایی با آب بهترین راهحل محسوب میشود، اما این کار نیازمند اتصال چندین واکنش شیمیایی پیچیده، از جمله اکسیداسیون آب و کاهش کربن دیاکسید است. طبیعت این فرایندها را با بازدهی شگفتانگیزی انجام میدهد؛ به کمک مولکولی که بهطور موقت الکترونهای تولید شده توسط نور را ذخیره کرده و انتقال انرژی را تسهیل میکند.
با الهام از این سازوکار طبیعی، پژوهشگران مکانیزمی مشابه برای ذخیره بار الکتریکی در یک سامانه فتوسنتز مصنوعی پیادهسازی کردند تا کارایی گیاهان در تبدیل انرژی خورشیدی به واکنشهای شیمیایی را بازسازی کنند.
در همین راستا، گروه تحقیقاتی مادهای از تریاکسید تنگستن اصلاحشده با نقره طراحی کرد که میتواند هنگام تابش نور الکترونها را ذخیره کرده و در زمان نیاز آزاد کند. آنها گزارش دادند که عملکرد این ماده با سامانههایی که از مواد مصرفشونده آلی استفاده میکنند، برابری میکند و در ترکیب با کاتالیزورهای مختلف، کاربردپذیری گستردهای دارد.
آزمایش این ماده زیر نور خورشید نشان داد که نور طبیعی نیز قادر به فعالسازی واکنش است؛ موضوعی که مسیر را برای کاربردهای واقعی سوخت خورشیدی هموار میکند. پژوهشگران تأکید کردند که این رویکرد، بدون نیاز به مواد مصرفشونده ناپایدار، یک اصل طراحی انعطافپذیر برای ساخت سامانههای فوتوکاتالیزوری مستقل و کارآمد ارائه میدهد.