اسفناج؛ کلید تولید کاتالیزور سلول سوختی تجدیدپذیر
کاتالیزورها بخش کلیدی تولید سلول سوختی بهینه هستند. یک کاتالیزور خوب منجر به واکنش‌های شیمیایی سریع‌تر و بهینه‌ترمی‌شود و درنتیجه بازدهی انرژی را افزایش می‌دهد. سلول‌های سوختی کنونی عموما به کاتالیزورهای پلاتینی وابسته هستند؛ اما به عقیده‌ی دانشمندان آمریکایی، اسفناج ابرغذایی مملو از مواد مغذی است که می‌توان از آن کاتالیزوری تجدیدپذیر و غنی از کربن تولید کرد؛ قطعا ملوان زبل این یافته را تأیید می‌کند.
اسفناج تاریخچه‌ای طولانی در علم دارد؛ ایده‌ی استخراج ویژگی‌های الکتروشیمیایی و فتوسنتزی اسفناج از چهل سال پیش مطرح شد. اسفناج غنی از آهن و نیتروژن است، فراوانی بالایی دارد و با کم‌ترین هزینه و به‌آسانی پرورش می‌یابد. سال‌ها پیش الیاس گرینباوم با استناد به پژوهش مرتبط با اسفناج خود، به مراکز واکنشی مبتنی بر پروتئین در برگ‌های اسفناج اشاره کرد که مکانیزم اولیه‌ی فتوسنتز هستند؛ فتوسنتز فرآیندی شیمیایی است که طی آن گیاهان کربن دی‌اکسید را به اکسیژن و کربوهیدرات تبدیل می‌کنند.
دو نوع مرکز واکنشی وجود دارد. نوع اول موسوم به فوتوسیستم (PS1) که کربن دی‌اکسید را به قند تبدیل می‌کند؛ نوع دیگر، فتوسیستم ۲ (PS2) است که صرفا آب را برای تولید اکسیژن تجزیه می‌کند. PS1 توجه بسیاری از پژوهشگرها را به خود جلب کرده است. این مرکز مانند باتری کوچک فتوسنتزی عمل می‌کند که انرژی نور خورشید را دریافت و الکترون‌هایی با بازدهی نزدیک به ۱۰۰ درصد منتشر می‌کند. PS1 می‌تواند جریان نوری برق را در کسری از ثانیه تولید کد.
انرژی تولیدی PS1 شاید زیاد نباشد؛ اما برای راه‌اندازی ماشین‌های مولکولی کوچک به مدت یک روز کافی است. پروژه‌ی گرین باوم برای ساخت شبکه‌های مصنوعی، جایگزینی سلول‌های خراب شبکیه با PS1 حساس به نور و بازیابی بینایی در افرادی که شرایط بینایی خوبی ندارند، مفید است. ازآنجاکه PS1-ها را می‌توان به گونه‌ای تغییر داد که ماند دیود عمل کنند، با عبور جریان از یک جهت و اتصال آن‌ها ازطریق سیم‌های مولکولی متشکل از نانولوله‌های کربنی، می‌توان گیت‌های منطقی مناسبی برای پردازنده‌های کامپیوتری را تولید کرد.
گرینباوم تنها یکی از چند پژوهشگر علاقه‌مند به اسفناج است. برای مثال دانشمندان دانشگاه واندربیلت، در سال ۲۰۱۲ برای رسیدن به سطح جریان ۱۰۰۰ برابری هنگام تجزیه‌ی مراکز پروتئینی، دست به ترکیب PS1-ها با سیلیکون زدند. هدف این آزمایش ساخت سلول‌های خورشیدی بیوهیبریدی بود که بتوانند از نظر سطح جریان و ولتاژ با سلول‌های خورشیدی استاندارد سیلیکونی رقابت کنند.
اسفناج علاوه بر مراکز واکنش دارای ویژگی‌های جذاب دیگری است. برای مثال، دانشمندان چینی در سال ۲۰۱۴ از آزمایش‌هایی برای جمع‌آوری کربن فعال اسفناج برای الکترودهای خازنی خبر دادند. از طرفی در دسامبر سال گذشته، گروه دیگری از دانشمندان چینی به بررسی پتانسیل تولید نانوکامپیوزیت اسفناجی و استفاده از آن به‌عنوان فتوکاتالیزور پرداختند.
کاربرد اسفناج به‌عنوان کاتالیزور در فناوری پیل سوختی امیدبخش است. پیشنهاد گرینباوم استفاده از اسفناج به‌عنوان کاتالیزوری در PS1 برای تولید گاز هیدروژن خالص و تقویت سلول‌های سوختی بود. این سبزی برگ‌دار، کاتالیزوری ارزان و دارای مواد سمی کم برای واکنش کاهش اکسیژن در سلول‌های سوختی است. بر اساس پژوهش جدید، از این فرایند برای تولید نانوشیت کربنی استفاده می‌شود.
اولین مرحله در پژوهش فوق مشابه پژوهش گرینباوم است. فرایند با یک میکسر متداول آشپزخانه شروع می‌شود که مملو از برگ‌های اسفناج است. پژوهشگرها آب به‌دست‌آمده را منجمد و آن را به پودر تبدیل کردند. سپس نمک (سدیم کلراید، پتاسیم کلراید) و مقداری ملامین را برای تقویت محتوای نیتروژنی اضافه کردند. به گفته‌ی شو ژانگ زو، استاد شیمی:
در این مرحله باید مقدار بیشتری نیتروژن به ماده‌ی پایه اضافه کرد؛ زیرا گرچه اسفناج نیتروژن زیادی دارد، بخش زیادی از این نیتروژن در طول فرایند آماده‌سازی از بین می‌رود.
نمک یکی از مواد کلیدی ایجاد حفره در نانوشیت‌های نهایی است و می‌تواند مساحت سطح موجود را برای بهینه‌سازی واکنش‌های شیمیایی افزایش دهد. به گفته‌ی زو: «نانوشیت‌ها وقتی روی هم قرار می‌گیرند، مانند یک پشته‌ی کاغذی جامد نیستند؛ به همین دلیل باید سوراخ‌هایی را در آن‌ها ایجاد کرد.»
تیم پژوهشگرها در نهایت برای تولید نانوشیت کربنی، چند نوبت پیرولیز (فرایند تجزیه‌ی گرمایی) در دمای ۹۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد اجرا کردند. طبق یافته‌ها، کاتالیزورهای به‌دست‌آمده از اسفناج بهینه‌تر از انواع پلاتینی بودند. به گفته‌ی زو:
این پژوهش ثابت می‌کند می‌توان برای کاهش اکسیژن، کاتالیزورهای پایدار از منابع طبیعی تولید کرد. با این روش می‌توان دست به تولید کاتالیزور کربنی از اسفناج زد که همان زیست‌توده‌ی تجدیدپذیر است. در مواقع معتقدیم این ماده چه از نظر فعالیت چه از نظر ثبات، از کاتالیزورهای تجاری پلاتینی بهتر است.
پژوهش فوق صرفا اثباتی برای کاربرد کاتالیزور اسفناجی است و نتیجه‌ی مطلوب در آزمایشگاه‌های ایده‌آل، لزوما به معنی کاربرد جهان واقعی نیست. گام بعدی، تولید نمونه‌ی اولیه‌‌ای است که از کاتالیزور اسفناجی در سلول سوخت واقعی هیدروژنی استفاده کند. به گفته‌ی زو، برای رسیدن به این نتیجه نیاز به مشارکت آزمایشگاه‌های دیگر داریم. اسفناج همچنین می‌تواند کاتالیزور خوبی برای باتری خودروهای برقی باشد.
مستندات این پژوهش در مقاله‌ای جدید در مجله‌ی ACS Omega منتشر شده است.
نظرات