محققان ژاپنی موفق به ایجاد یک فوتوکاتالیست یا کاتالیزور یا کاتالیزگر نوری شده‌اند که می‌تواند با کارایی کوانتومی نزدیک به صد درصدی آب را به اتم‌های هیدروژن و اکسیژن تقسیم کند.
ساینسیو – به نقل از ایسنا، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی “تسویوشی تاکاتا”، “تاکاشی هیساتومی” و “کازوناری دومن” از دانشگاه “شین شو” موفق به تولید یک فتوکاتالیست(کاتالیزگر نوری) شدند که با بهره‌وری کوانتومی نزدیک به ۱۰۰ درصدی می‌تواند آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند.
این تیم متشکل از محققانی از دانشگاه “یاماگوچی”، دانشگاه “توکیو” و انستیتوی ملی علوم و فنون پیشرفته صنعتی(AIST) بود.
این تیم یک ساختار فتوکاتالیست ایده‌آل را تولید کرده است که از ذرات نیمه هادی(نیمه رسانا) و “هم کاتالیزگر”(co-catalyst) تشکیل شده است.
“فتوکاتالیست”(Photocatalyst) به کاتالیزورهایی گفته می‌شود که در حضور نور فعال می‌شوند.
فتوکاتالیست‌ها معمولاً اکسیدهای جامد نیمه‌رسانا هستند که با جذب فتون‌ها یک جفت الکترون-حفره در آنها ایجاد می‌شود. این الکترون-حفره می‌توانند با مولکول‌های موجود در سطح ذرات واکنش دهند.
از فتوکاتالیست‌ها در تصفیه آب، تصفیه آلاینده‌ها از هوا، شیشه‌های خودتمیزشونده، تجزیه مولکول‌های آلی و غیره استفاده می‌شود.
ساختار این فتوکاتالیست جدید به طور موثری از تلفات جلوگیری کرده و به بالاترین بازده کوانتومی رسیده است.
واکنش شکافت آب با انرژی خورشیدی، یک فناوری تولید هیدروژن خورشیدی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ است. برای استفاده عملی از چنین فناوری ارزشمندی، هزینه تولید هیدروژن خورشیدی باید به میزان قابل توجهی کاهش یابد که این امر به یک سیستم واکنشی نیاز دارد که بتواند آب را به طور کارآمد بشکافد و به راحتی در مقیاس بزرگ قابل انجام باشد.
“شکافت آب”(Water splitting) عبارتی کلی است که به کلیه واکنش‌های شیمیایی که منجر به تجزیه مولکول آب به دو عنصر تشکیل دهنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن می‌شود، اطلاق می‌شود. با توجه به افزایش روز افزون استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت، روش‌های زیادی برای تولید هیدروژن از آب ابداع شده است که از جمله آنها الکترولیز آب یا استفاده از جلبک‌ها برای تجزیه آب و همین روش جدید استفاده از کاتالیزگرهای نوری است.
محققان می‌گویند، یک سیستم متشکل از فتوکاتالیست‌های ذره‌ای نیمه هادی می‌تواند در یک منطقه وسیع با فرآیندهای نسبتاً ساده گسترش یابد. بنابراین با استفاده از فتوکاتالیست‌هایی که واکنش شکافت آب ناشی از نور خورشید را با کارایی بالا ایجاد می‌کنند، می‌توان گام‌های بزرگی در جهت تولید هیدروژن خورشیدی در مقیاس بزرگ برداشت.
برای افزایش بهره‌وری شکافت آب با فتوکاتالیست و انرژی خورشیدی، ارتقاء و بهبود دو عامل ضروری است: گسترش دامنه موج نوری که توسط فتوکاتالیست برای واکنش استفاده می‌شود و افزایش عملکرد کوانتومی در هر طول موج.
اولی با مواد مورد استفاده در فتوکاتالیست قابل دستیابی است و دومی توسط کیفیت مواد فتوکاتالیست و عملکرد کاتالیست مورد استفاده برای پیشبرد واکنش تعیین می‌شود.
با این حال شکافت آب با فتوکاتالیست یک واکنش درون زا است که شامل انتقال چند الکترون است که در یک حالت عدم تعادل رخ می دهد.
این مطالعه طراحی و اصول کار را برای پیشرفت روش‌های شکافت آب با بهره وری کوانتومی بالا تعریف کرده است. دانش به دست آمده از این مطالعه، زمینه شکافت آب فتوکاتالیستی را برای تولید مقیاس پذیر هیدروژن خورشیدی بیشتر می‌کند.