زینب امیری تجربیات و مهارت های حرفه ای من در حوضه فناوری آب
خلاصه:
دانشمندان با ترکیب روش‌های محاسباتی و روش‌های تجربی، ۱۲ ماده جدید را با پتانسیل استفاده در ژنراتورهای سوخت خورشیدی، شناسایی کردند.
متن مقاله:
محققان در آزمایشگاه ملی برکلی لاورنس (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالتک، فقط در عرض ۲ سال، تعداد مواد شناخته شده که قابلیت استفاده در سوخت‌های خورشیدی دارند را دو برابر کردند.
سوخت خورشیدی -رویای انرژی پاک- تنها با استفاده از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. محققان در حال کشف طیف وسیعی از سوخت‌های فسیلی هستند، از گاز هیدروژن گرفته تا هیدروکربن‌های مایع، و تولید هر یک از این سوخت‌ها نیازمند آب است.
هر مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته‌شده است. ابتدا اتم‌های هیدروژن از مولکول جدا شده و سپس می‌توانند دوباره به هم پیوند یابند. این کار باعث می‌شود گاز هیدروژن با قابلیت اشتعال خیلی بالا تولید شود؛ یا با CO2 ترکیب شده، سوخت هیدروکربنی تولید کند و درنهایت به تولید منابع انرژی تجدید پذیر و فراوان منجر شود. مشکل این است که مولکول‌های آب به‌راحتی و با تابش نور خورشید بر آن‌ها، نمی‌شکنند – اگر می‌شکستند که اقیانوس‌ها بیشتر سیاره ما را نمی‌پوشاندند. آن‌ها نیاز به یک کمک کوچک از یک کاتالیزور انرژی خورشیدی دارند.
برای تولید سوخت خورشیدی، دانشمندان تلاش کرده‌اند که مواد کم‌هزینه و کارآمد را توسعه دهند که تحت عنوان فوتوآنود (الکترود مثبت سلول فوتوالکتروشیمیایی) شناخته می‌شوند، و قادر به تقسیم آب با استفاده از نوری قابل‌رؤیت به‌عنوان یک منبع انرژی هستند. در طول ۴ دهه گذشته، دانشمندان تنها ۱۶ تا از مواد فوتوآنود را شناسایی کرده بودند. در حال حاضر، با استفاده از روش جدید بالا برای شناخت مواد جدید، تیمی از محققان به رهبری جان گرگوری از دانشگاه کالتک و جفری نیوتون و کیمین یان از آزمایشگاه برکلی، ۱۲ فوتوآنودِ جدیدِ مستعد یافته‌اند.
مقاله ای درباره روش‌ها و فوتوانودهای جدید در تاریخ ۶ مارس در نسخه آنلاین مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد. این روش جدید از طریق همکاری بین مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) در دانشگاه کالتک و پروژه مواد آزمایشگاه برکلی و با استفاده از منابع موجود در ریخته گری مولکولی و مرکز ملی محاسبات علمی و تحقیقات انرژی، ایجاد شد(NERSC).
گرگوری از گروه JCAP می‌گوید:”این ادغام تئوری و آزمایش، یک برنامه کاری است برای هدایت تحقیقات در جهانی که به طور فزاینده ای میان رشته ای است. یافتن ۱۲ فوتو انود بالقوه برای ساخت سوخت خورشیدی بسیار هیجان انگیز است. اما هیجان انگیزتر از آن، کشف ماده جدیدی برای خطوط لوله در آینده است.”
نیوتون، رئیس ریخته گری مولکولی می‌گوید:”آنچه در این مطالعه مخصوصاً اهمیت دارد، این است که علاوه بر شناسایی چند ترکیبِ جدیدِ کاربردی در سوخت خورشیدی، توانستیم چیزی جدید درباره اساس ساختار الکترونیکی خودِ مواد یاد بگیریم. ”
فرایند کشف مواد قبلی با تکیه بر آزمایش‌های دست و پا گیرِ ترکیبات منحصر به فرد، جهت ارزیابی پتانسیل آن‌ها برای استفاده در موارد خاص بود. در فرایند جدید، گرگوری و همکارانش روش‌های محاسباتی و آزمایشی را با اولین استخراج هر ماده در راستای ترکیباتِ مفیدِ بالقوه، با هم ترکیب کردند، آن را براساس خواص مواد غربالگری کردند و سپس با سرعت کاندیداهای مستعد را با استفاده از آزمایشاتِ توانِ عملیاتیِ بالا، تست کردند.
در کار توصیف شده در مجله PNAS، محققان به جستجوی ۱۷۴ وانادیت فلزی – ترکیباتی حاوی عناصر وانادیوم و اکسیژن همراه با عنصری دیگر از جدول تناوبی – پرداختند.
گرگوری می‌گوید که این تحقیق آشکار کرد که چقدر انتخاب‌های مختلف برای عنصر سوم می‌تواند موادی با خواص مختلف تولید کند، و چگونگی استفاده از این ویژگی‌ها برای ساخت فوتوآنودهای بهتر را نشان داد.
گرگوری می‌گوید:” پیشرفت کلیدی توسط تیم، ترکیب بهترین قابلیت‌های محقق شده توسط تئوری و ابررایانه‌ها، با آزمایش‌های توان بالا، جهت تولید دانش علمی با سرعتی بی‌سابقه بود.”
