نانومواد چندفلزی؛ کلیدی برای سوخت پاک صنعتی

نانومواد چندفلزی؛ راهکاری نوآورانه برای سوخت پاک

تحقیقات اخیر در زمینه کاتالیزورها مسیرهای جدیدی را برای تولید سوخت‌های پاک صنعتی، به ویژه از طریق تبدیل دی‌اکسید کربن (CO۲)، گشوده‌اند. تمرکز اصلی این پژوهش بر توسعه یک فتوکاتالیست نانویی بسیار پیشرفته استوار است که پتانسیل بالایی در بهینه‌سازی واکنش‌های تبدیل گازهای گلخانه‌ای به مواد مفید دارد. ماده مورد استفاده در این نوآوری، نانوذرات سولفیدی با آنتروپی بالا (High-Entropy Sulfides) از ترکیب CoFeNiMnCu S ۲ است که بر روی لایه‌های نازک گرافن نیترید کربن (g-C۳N۴) تثبیت شده‌اند.

این ساختار خاص با هدف ایجاد تعامل الکترونیکی چندفلزی و بهره‌مندی از ترکیبی از ساختار آمورف و کریستالی طراحی شده است. این ویژگی‌های ساختاری به طور چشمگیری بر فعالیت فوتوکاتالیستی و پایداری سیستم تأثیر می‌گذارند. هدف نهایی استفاده از این کاتالیست، افزایش بازده تبدیل CO۲ به متان (CH۴) و سینگاز (CO + H۲) است که هر دو منابع ارزشمندی برای صنایع پتروشیمی و تولید انرژی پاک محسوب می‌شوند.

اهمیت ساختار نانویی در کاتالیزورها

استفاده از ساختارهای نانومقیاس و ترکیبات چندفلزی مزایای متعددی به همراه دارد:

• افزایش سطح فعال: نانوذرات دارای نسبت سطح به حجم بسیار بالایی هستند که به معنای نقاط فعال بیشتر برای انجام واکنش‌های شیمیایی است.
• بهینه‌سازی خواص الکترونیکی: ترکیب چندین فلز مختلف (Co، Fe، Ni، Mn، Cu) در ترکیب سولفیدی باعث ایجاد اثر هم‌افزایی شده و انتقال الکترون‌ها را در فرآیند فوتوکاتالیز بهبود می‌بخشد.
• پایداری در شرایط واکنشی: تثبیت این نانوذرات بر روی بستر رسانای g-C۳N۴، به حفظ ساختار و کارایی کاتالیست در طول زمان کمک می‌کند.

به گفته پژوهشگران، “طراحی چنین سامانه‌های نانویی پیچیده‌ای، گامی مهم در جهت دستیابی به شیمی سبز و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی سنتی است.”

مکانیزم تبدیل CO۲ با استفاده از نور

فرآیند فوتوکاتالیز برای تبدیل CO۲ نیاز به جذب فوتون‌های نور دارد که انرژی الکترون‌ها را تحریک کرده و موجب ایجاد جفت‌های الکترون-حفره می‌شود. سپس این حامل‌های بار در سطح کاتالیست با مولکول‌های CO۲ و آب واکنش داده و محصولات ارزشمندی مانند متان یا مونوکسید کربن تولید می‌کنند. کارایی این سیستم به توانایی آن در جداسازی موثر الکترون‌ها و حفره‌ها بستگی دارد تا بازترکیب‌های غیرمولد به حداقل برسد.

• این نانوماده با جذب مؤثر نور مرئی، نیاز به منابع انرژی خارجی در دماهای بالا را کاهش می‌دهد.
• تعامل بین لایه‌های سولفیدی چندفلزی و g-C۳N۴ سبب تسهیل جداسازی بارها شده است.
• هدف‌گذاری بر روی تولید مستقیم متان، به عنوان یک سوخت هیدروژنی بالقوه، از دستاوردهای کلیدی است.
• استفاده از مواد غیرگران‌بها و فراوان (مانند آهن و نیکل در کنار کبالت) برای ساختار چندفلزی امکان‌پذیر است.

“ساختار آمورف-کریستالی خاص ترکیب سولفیدی، نقش حیاتی در جذب بهتر نور و تسهیل فرایندهای انتقال بار در سطح کاتالیست ایفا می‌کند.”

به طور خلاصه، توسعه این فتوکاتالیست نانویی چندفلزی یک پیشرفت قابل توجه در حوزه کاتالیز ناهمگن و مهندسی مواد برای مقابله با چالش‌های محیط زیستی ناشی از انتشار CO۲ و تأمین انرژی پاک پایدار به شمار می‌آید.