تجزيه‌‌ي آب روي نانوسيم‌ها

دانشمندان ايالات متحده معتقدند که با استفاده از نانوسيم‌هاي دي‌اکسيد تيتانيم که به‌صورت مؤثري آب را به اکسيژن و هيدروژن تجريه مي‌کنند، مي‌توان توان ذخيره‌ي شيميايي انرژي خورشيدي را تا حد زيادي بالا برد.

آب و نور خورشيد در مقياس وسيعي موجودند و طبيعت از آنها در پديده‌ي فتوسنتز استفاده مي‌کند، ولي از نظر اقتصادي، استفاده از اين فناوري، مشکل و دور از ذهن است.

از الکترودهاي دي‌اکسيد تيتانيم براي تجزيه‌ي آب در حضور اشعه‌ي فرابنفش استفاده مي‌شود، ولي کارايي پاييني داشته، تنها قادرند ‌مقدار بسيار اندکي از اين اشعه را به انرژي تبديل کنند.

هونگ‌کان ‌پارک و همکارانش در دانشگاه هاروارد، توانستند با رسوب نانوذرات دي‌اکسيد تيتانيم بر روي سطح الکترودها، نانوسيمي با سطوح وسيع بسازند که مي‌تواند تبديل نور به انرژي را در مقايسه با الکترودهاي TiO2 قبلي تا دو برابر افزايش دهد.

به گفته‌ي پارک، اتصال زنجيره‌اي شيميايي در اين نانوسيم‌ها موجب افزايش چگالي نوري و افزايش جذب نور مي‌شود، از سوي ديگر اين نانوسيم‌ها قادرند نور خورشيد و آب را به انرژي تبديل کنند.
 


پارک افزود:«اضافه نمودن نانوذرات طلا يا نقره به شبکه‌ي نانوسيم‌ها، اجازه‌ مي‌دهد که واکنش تجزيه‌ي آب در زير نور مرئي نيز رخ دهد»، همچنين «انجام اين پژوهش، منجر به افزايش توان کاتاليستي واکنش تجزيه‌ي آب تا ده برابر، گرديد.»

پارک اظهار کرد:«کار ما نشان مي‌دهد که کارايي يک ماده مي‌تواند با قرار گرفتن در شبکه‌ي نانوساختاري، بهبود پيدا کند، همچنين به کمک اين روش مي‌توان از بسياري از مواد ديگر در تجزيه‌ي مؤثر آب در حضور نورخورشيد بهره گرفت.»

استيودان، متخصص شيمي مواد از دانشگاه کوئين‌مري ‌لندن اذعان داشت:«استفاده از پودر تجاري تيتانيا در نانوميله‌ها بسيار جالب است و يافته‌هاي جديد و پراهميتي را علاوه بر تغييرات مورفولوژي به همراه دارد. برتري استفاده از تيتانيا نسبت به ساير سامانه‌ها، اين است که شيمي شناخته‌شده‌اي داشته، در مقابل نور بسيار پايدار است، همچنين ارزان و غير سمي است.»

اين گروه همينك قصد دارند تا روي پديده‌ي فوتوالکتروليز آب به همراه اکسيد فلزات ديگر، مانند اکسيد آهن، که مي‌تواند نور مرئي را جذب کند، مطالعه و تحقيق کنند، همچنين در پي يافتن چگونگي بهبود کارايي آنها در يک شبکه‌ي نانوسيمي مشابه هستند.

جزئيات اين پژوهش در مجله‌ي Chem. Sci. منتشر شده‌است.
 

شيرين‌سازي آب با استفاده از نانوغشاها و انرژي خورشيدي

آي‌بي‌ام و شهر علم و فناوري شاه عبدالعزيز (KACST) که سازمان تحقيق و توسعه ملي عربستان سعودي محسوب مي‌شود، اعلام نموده‌اند که با هدف تأسيس مرکزي براي شيرين‌سازي آب با استفاده از انرژي خورشيدي، همکاري تحقيقاتي مشترکي را آغاز کرده‌اند. اين کار منجر به کاهش قابل ملاحظه هزينه آب و انرژي خواهد شد.

در اين برنامه، يک مرکز شيرين‌سازي با مصرف بهينه انرژي با ظرفيت توليد پيش‌بيني شده 30000 متر مکعب آب در روز در شهر الخفيج ساخته شده و آب مورد نياز 100000 نفر را تأمين خواهد کرد. KACST مي‌خواهد انرژي اين مرکز را با استفاده از فناوري فتوولتائيک متمرکزکننده بسيار قوي (UHCPV) تأمين کند که به طور مشترک توسط KACST و آي‌بي‌ام در حال توسعه است. اين فناوري مي‌تواند موجب کار کردن يک سامانه CPV با شدت بيش از 1500 خورشيد گردد. درون اين مرکز، فرايند نمک‌زدايي با استفاده از فناوري مشترک ديگري انجام خواهد شد که بر نانوغشاها مبتني است. اين غشاها در عين حالي که نسبت به روش‌هاي ديگر خالص‌سازي آب انرژي کمتري مصرف مي‌کنند، مي‌توانند نمک‌ها و مواد سمي مضر را به خوبي از آب فيلتر نمايند.

از آنجايي که بيش از 97 درصد آب زمين در اقيانوس‌هاست، تبديل آب شور به آب شيرين به صورتي مقرون به صرفه و با مصرف انرژي کم مي‌تواند قابليت‌هاي زيادي در زمينه رفع نياز جهان در حال رشد به آب شيرين داشته باشد. يکي از کاراترين روش‌هاي نمک‌زدايي اسمز معکوس است، اما اين روش داراي اشکالاتي است. از جمله اين اشکالات مي‌توان به ايجاد آلودگي‌هاي زيستي، خوردگي با کلر و چالش‌هاي مربوط به سرعت کم جريان اشاره کرد. تحقيق مشترک KACST و آي‌بي‌ام روي توسعه غشاهاي پليمري از طريق بهبود نانومقياس ويژگي‌هاي پليمرها تمرکز دارد تا از اين طريق فرايند شيرين‌سازي کاراتر و کم‌هزينه‌تر شود.

شارون نونز، معاون بخش Big Green Innovations در آي‌بي‌ام مي‌گويد: «تحقيقات مشترک ما با KACST منجر به توسعه فناوري‌هاي نوآورانه‌اي در حوزه انرژي خورشيدي و شيرين‌سازي آب شده است. با استفاده از اين فناوري‌ها سيستم‌هاي کارايي از نظر مصرف انرژي خواهيم ساخت که مي‌توانند در سرتاسر عربستان سعودي و در تمام دنيا مورد استفاده قرار بگيرند».

در فوريه 2008 آي‌بي‌ام و KACST يک توافق‌نامه تحقيقاتي چندساله را امضا کردند که بر اساس آن محققان اين دو مرکز دوشادوش هم در آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي آي‌بي‌ام در نيويورک و کاليفرنيا و همچنين در مرکز مشترک تعالي نانوفناوري در رياض کار خواهند کرد. يکي از ديگر از زمينه‌هاي تحقيقاتي مشترک ميان اين دو مرکز يافتن راه‌هايي براي بازيابي پلاستيک‌هاي پلي‌اتيلن ترفتالات (PET) است که به طور معمول در بسته‌بندي‌هاي غذايي و نوشيدني استفاده مي‌شوند.

نسل جديد پيل‌هاي خورشيدي

نسل جديدي از پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي ميلي‌متري نانوساختار که مي‌‌‌‌توانند انرژي خورشيدي را با دوبرابر بازده فناوري کنوني به الکتريسيته تبديل کنند، موضوع نمايشگاه کالج سلطنتي لندن هستند. اين برنامه که با عنوان «يک کوانتوم از خورشيد» در نمايشگاه علوم تابستاني انجمن سلطنتي در سال 2009 برگزار مي‌‌‌‌گردد، براي عموم قابل مشاهده است.

بازديدکنندگان از اين نمايشگاه مي‌توانند در حضور مهندسان انرژي خورشيدي دست به کار شده، با استفاده از منشورها عملاً مشاهده کنند که چه ميزان توان الکتريکي به‌وسيله‌ي رنگ‌‌‌‌هاي مختلف در درون طيف نور، قابل توليد است. اين نمايشگاه را دکتر ند اکينس ـ داوکس (يكي از محققان گروه فيزيک و موسسۀ تغيرات آب و هوايي گرانتام) هدايت مي‌كند، او نخستين کسي است که در اين نمايشگاه به ارائۀ خلاصه مقالات مي‌‌‌‌پردازد.

نمايشگاه «يك کوانتوم از خورشيد»، به بررسي فناوري نسل سوم پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي مي‌‌‌‌پردازد؛ اين پيل‌‌‌‌ها در نانومقياس طراحي شده، نسبت به پانل‌‌‌‌هاي خورشيدي سيليکوني کنوني توان جذب ميزان بيشتري از انرژي خورشيدي را دارند؛ زيرا آنها شامل لايه‌‌‌‌هاي مختلفي از مواد بوده، مي‌‌‌‌توانند طيف وسيع‌‌‌‌تري از رنگ‌‌‌‌ها را جذب نمايند. در اين شيوه با هدف‌‌‌‌ گرفتن رنگ‌‌‌‌هاي مختلف نور خورشيد به‌صورت مجزا، بيشتر انرژي خورشيدي جذب و ساخت پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي بسيار مؤثرتر ممکن مي‌‌‌‌گردد.

حاضران در اين نمايشگاه قادر خواهند بود تا اين اصل را از طريق قرار دادن يک پيل خورشيدي در خلال نوري كه منشور تجزيه مي‌كند، عملاً مشاهده کنند. آنها به اين شکل مي‌‌‌‌توانند ببينند چگونه هر رنگ قادر به توليد مقدار متفاوتي از انرژي است، همچنين اين فرصت را خواهند داشت تا در نقش مهندسان انرژي خورشيدي ظاهر شده، لنزها و آينه‌‌‌‌هاي کوچک را بر روي يک بُرد بچينند تا به اين شکل يک پرتو نوري را بر روي يک پيل خورشيدي بسيار کوچک متمرکز کنند. اين فناوري گونۀ کوچک‌‌‌‌شده‌اي از فناوري خورشيدي‌‌‌‌ است که در صحرا استفاده مي‌شود و به نام «سيستم توان متمرکزکننده» معروف است. در اين سيستم از نوارهاي تشکيل‌شده از آينه‌‌‌‌ها يا لنزها براي متمرکز نمودن نور خورشيد بر روي پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي کوچک اما بسيار کارامد استفاده مي‌شود.

پانل‌‌‌‌هاي خورشيدي سيليکوني ـ که از حدود دهه‌ي 1950 تاکنون مورد استفاده قرار مي‌گيرند و نسبتاً نيز ارزان هستند ـ مقدار زيادي از انرژي خورشيدي را هدر داده، با بازده تنها 12 الي 20 درصد عمل مي‌‌‌‌کنند. نسل جديد پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي با عنوان «چنداتصاله»، اين قابليت را دارند که عملکرد بسيار بهتري (بازده کنوني 41 درصد) از خود نشان دهند. اين در حالي است که به عقيده‌ي دکتر اکينس‌ـ داوکس اين بازده در عرض يک دهه به 50 درصد خواهد رسيد.

در حالي که هم‌اكنون استفاده از فناوري نانو در ساخت اين پيل‌‌‌‌هاي خورشيدي جديد مقرون‌به‌صرفه نيست (14 دلار در هر سانتي‌متر مربع)، يک سيستم متمرکزکننده‌ي خورشيدي با استفاده از آينه‌‌‌‌هاي ارزان، نور خورشيد را جمع‌‌‌‌آوري و متمرکز مي‌‌‌‌کند و به اين ترتيب فرايند توليد الکتريسيته مقرون‌به‌صرفه خواهد بود.

در سال 2007، کالج سلطنتي لندن يک شرکت به نام کوآنتاسول تأسيس نموده‌است. اخيراً اين شرکت يک پيل خورشيدي تک‌‌‌‌اتصاله‌ي کارامد ابداع کرده که در اين نمايشگاه به نمايش کشيده شده‌است.