لوگو
مقالهنشریه

هـیـدروژن، جـایـگـزیـن سـوخـت‌هـای فـسـیـلی بـا کـمـک پـروسـکـایـت‌هـای دوگـانـه

۲۸ شهریور ۱۴۰۵
هـیـدروژن، جـایـگـزیـن سـوخـت‌هـای فـسـیـلی بـا کـمـک پـروسـکـایـت‌هـای دوگـانـه

همزمان با تشدید نگرانی‌ها درباره پیامدهای زیست‌محیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییرات اقلیمی، دولت‌ها و سازمان‌های بین‌المللی راهبردهای متعددی را برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و توسعه فناوری‌های کم‌کربن اتخاذ کرده‌اند. در این چارچوب، هیدروژن به‌دلیل پاک بودن، قابلیت تولید از منابع گوناگون و نقش آن به‌عنوان یک حامل انرژی، به یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها برای تحقق سامانه‌های انرژی پایدار و کاهش انتشار آلاینده‌های کربنی تبدیل شده‌است.
در سال‌های اخیر، هیدروژن به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین حامل‌های انرژی، جایگاه ویژه‌ای در میان فناوری‌های نوین انرژی پیدا کرده‌است. ویژگی‌هایی نظیر آلایندگی بسیار کم، قابلیت تولید از منابع مختلف و امکان استفاده در بخش‌های گوناگون از جمله حمل‌ونقل، تولید برق و صنـایـع، موجب شده‌است که هیدروژن به یکی از گزینه‌های اصلی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی تبدیل شود. علاوه بر این، در فرآیند مصرف هیدروژن، آب به‌عنوان محصول اصلـی تولید می‌شود و انتشار مستقیم کربن دی اکسید رخ نمی‌دهد. ازاین‌رو، توسعه فناوری‌های مبتنی بر هیدروژن می‌تواند نقش مؤثری در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، بهبود کیفیت محیط‌زیست و حرکت به سوی سامانه‌های انرژی پایدار ایفا کند.
با وجود ظرفیت بالای هیدروژن برای ایفای نقش در سامانه‌های انرژی آینده، گسترش استفاده از این حامل انرژی مستلزم رفع چالش‌های فنی و اقتصادی متعددی است. یکی از مهم‌ترین این چالش‌ها، مدیریت مراحل پس از تولید، به‌ویژه انتقال، توزیع و ذخیره‌سازی ایمن و کارآمد هیدروژن است. به‌دلیل ویژگی‌های فیزیکی این عنصر، توسعه فناوری‌های مناسب برای ذخیره‌سازی و جابه‌جـایـی آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بوده و همچنان یکی از محورهای اصلی پژوهش‌ها در حوزه انرژی هیدروژنی محسوب می‌شود.
هیدروژن را می‌توان از طیف گسترده‌ای از منابع اولیه و با استفاده از فناوری‌های مختلف تولید کرد. به‌طور کلی، روش‌های تولید این حامل انرژی به سه دسته اصلی شامل فرآیندهای مبتنی بر سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای و منابع انرژی تجدیدپذیر تقسیم می‌شوند. انتخاب روش مناسب به عواملی مانند هزینه تولید، بازده فرآیند، میزان انتشار آلاینده‌ها و دسترسی به منابع اولیه بستگی دارد. ازاین‌رو، توسعه فناوری‌هایی که ضمن کاهش هزینه‌های تولید، آثار زیست‌محیطی کمتری داشته باشند، از مهم‌ترین اهداف پژوهش‌های این حوزه به شمار می‌رود. در میان فناوری‌های موجود، اصلاح بخار متان به‌دلیل بازده بالا و صرفه اقتصادی، همچنان رایج‌ترین روش تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی محسوب می‌شود. در مقابل، الکترولیز آب به‌ویژه در صورت استفاده از برق حاصل از منابع تجدیدپذیر، روشی پاک و پایدار برای تولید هیدروژن به‌شمار می‌آید و به همین دلیل در سال‌های اخیر توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده‌است. از دیدگاه فیزیکی، هیدروژن دارای چگالی انرژی جرمی بسیار بالایی است، اما چگالی انرژی حجمی آن در شرایط محیطی پایین است. این ویژگی موجب می‌شود که ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن در مقایسه با بسیاری از سوخت‌های متداول با چالش‌های فنی بیشتری همراه باشد و توسعه فناوری‌های نوین ذخیره‌سازی را به ضرورتی اجتناب‌ناپذیر تبدیل کند.
در این میان، ترکیب‌های پروسکایتی به‌دلیل انعطاف‌پذیری ساختاری، پایداری شیمیایی مناسب، قابلیت اصلاح ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی و الکتروشیمیایی مطلوب، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند. این ویژگی‌ها سبب شده‌است که پروسکایت‌ها به‌عنوان گزینه‌هایی امیدبخش برای استفاده در سامانه‌های ذخیره‌سازی هیدروژن و سایر کاربردهای مرتبط با فناوری‌های نوین انرژی مورد بررسی قرار گیرند.
ساختار پروسکایت نخستین بار در سال ۱۸۳۹ و با شناسایی کانی کلسیم تیتانات در کوه‌های اورال معرفی شد. این کانی که پیش‌تر به افتخار کانی‌شناس روس، لو پروفسکی نام‌گذاری شده بود، مبنای نام‌گذاری گروهی از ترکیب‌های بلوری با ساختار مشابه قرار گرفت. امروزه تمامی ترکیباتی که از آرایش بلوری مشابه این کانی و فرمـول عـمـومـی ABX₃ پیروی می‌کنند، در دسته مواد پروسکایتی طبقه‌بندی می‌شوند.
پروسکایت‌های دوگانه در مقایسه با پروسکایت‌های ساده، از انعطاف‌پذیری ساختاری بیشتری برخوردار هستند که این ویژگی عمدتاً ناشی از حضور دو کاتیون متفاوت در جایگاه B شبکه بلوری است. در این گروه از مواد، ساختار کلی به‌گونه‌ای است که دو کاتیون با ماهیت یا ظرفیت متفاوت به‌صورت منظم در جایگاه‌های B و B′ آرایش می‌یابند، در‌حالی‌که در برخی ترکیب‌ها، جایگاه A نیز می‌تواند به‌طور هم‌زمان به‌وسیله دو نوع کاتیون اشغال شود. این تنوع در آرایش کاتیونی، امکان کنترل و تنظیم دقیق‌تر ساختار الکترونی، توزیع بار و برهم‌کنش‌های میان یون‌ها را فراهم می‌کند. در نتیجه، پروسکایت‌های دوگانه نسبت به ساختارهای ساده، قابلیت بیشتری برای بهینه‌سازی خواصی نظیر هدایت الکتریکی، رفتار مغناطیسی، فعالیت کاتالیستی و عملکرد الکتروشیمیایی دارند. به همین‌دلیل، این خانواده از مواد در سال‌های اخیر به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدبخش برای کاربرد در سامانه‌های تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی، به‌ویژه ذخیره‌سازی هیدروژن، مورد توجه گسترده پژوهشگران قرار گرفته‌اند. چشم‌انداز آینده پژوهش‌ها در این حوزه بر طراحی نسل جدید دابل پروسکایت‌های ‌بدون سرب، توسعه نانودابل‌پروسکایت‌ها،‌ساخت کامـپـوزیـت‌هـای‌مـبـتـنـی بـر دابل پروسکایت و بهره‌گیری از روش‌های محاسباتی پیشرفته و هوش مصنوعی برای پیش‌بینی ترکیب‌هایی با عملکرد بهینه متمرکز است. انتظار می‌رود هم‌افزایی میان مهندسی ساختار، کنترل نقص‌های بلوری و اصلاح سطح، منجر به تولید دابل پروسکایت‌هایی با ظرفیت ذخیره‌سازی بالاتر، سینتیک سریع‌تر جذب و واجذب و پایداری چرخه‌ای بهتر شود. اگرچه هنوز چالش‌هایی نظیر افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی در شرایط عملیاتی، کاهش انرژی فعال‌سازی و بهبود رسانایی یونی و الکترونی وجود دارد، اما شواهد منتشر شده در مقالات سال‌های اخیر نشان می‌دهد که دابل پروسکایت‌ها به‌دلیل قابلیت تنظیم گسترده خواص فیزیکی و شیمیایی، یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌ها برای توسعه سامانه‌های ذخیره‌سازی هیدروژن در فناوری‌های انرژی پاک و اقتصاد هیدروژنی آینده به‌شمار می‌روند.

محیا صادقی نیا.pdf (3815 کیلوبایت)

مقالات و نشریات

بازرسی نفت و گاز؛از اکتشاف تا ایمنی پایدار
مقاله

بازرسی نفت و گاز؛از اکتشاف تا ایمنی پایدار

بازرسی در صنعت نفت و گاز، یکی از ارکان اساسی تضمین ایمنی، کیفیت و بهره‌وری در زنجیره تولید انرژی است. در شرایطی که موضوع ناترازی انرژی به یکی از دغدغه‌های اصلی کشورها تبدیل شده، نمی‌توان از اهمیت نظارت دقیق در این صنعت راهبردی چشم‌پوشی کرد. بازرسی‌های تخصصی از مرحله اکتشاف تا توزیع نهایی، نقشی حیاتی در جلوگیری از نشت، انفجار، آسیب‌های زیست‌محیطی، خرابی تجهیزات و اتلاف منابع دارند.

ادامه مطلب
سنتز سبز آمونیاک با کاتالیست‌های ناهمگن؛ از فعال‌سازی نیتروژن تا تولید پایدار
مقاله

سنتز سبز آمونیاک با کاتالیست‌های ناهمگن؛ از فعال‌سازی نیتروژن تا تولید پایدار

آمونیاک یکی از بنیادی‌ترین مواد شیمیایی جهان است؛ ماده‌ای که علاوه بر نقش اصلی در تولید کودهای نیتروژنی، امروزه به‌عنوان حامل هیدروژن و گزینه‌ای برای ذخیره انرژی نیز مطرح شده‌است. با وجود آنکه مولکول آمونیاک فاقد کربن است، روش متداول تولید آن الزاماً سبز نیست. فرایند هابر–بوش برای تبدیل نیتروژن و هیدروژن به آمونیاک، معمولاً در دمای حدود ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سلسیوس و فشار ۱۵ تا ۳۰ مگاپاسکال انجام می‌شود. افزون بر مصرف انرژی زیاد، هیدروژن موردنیاز این فرایند عمدتاً از ریفرمینگ گاز طبیعی یا گازی‌سازی زغال‌سنگ تأمین می‌شود؛ ازاین‌رو، تولید آمونیاک سهم قابل‌توجهی در مصرف جهانی انرژی و انتشار دی‌اکسیدکربن دارد[۱و۲].

ادامه مطلب
Techno-Economic and Environmental Assessment of a Hybrid Bioenergy System Optimized via NSGA-II: Biomass Pyrolysis, Fischer–Tropsch Synthesis, and Solar-Enhanced Power Generation
مقاله

Techno-Economic and Environmental Assessment of a Hybrid Bioenergy System Optimized via NSGA-II: Biomass Pyrolysis, Fischer–Tropsch Synthesis, and Solar-Enhanced Power Generation

1. Introduction Growing concerns over climate change and the depletion of fossil resources have intensified interest in renewable, low-carbon pathways for producing liquid fuels and electricity. Biomass gasification coupled with Fischer–Tropsch (FT) synthesis is among the most promising routes for converting a widely available renewable feedstock into synthetic diesel-range hydrocarbons, yet conventional biomass-to-fuel systems still suffer from limited exergy efficiency, high production costs, and considerable CO2 emissions. Prior studies have generally examined isolated subsystems gasification, FT synthesis, power cycles, or carbon capture without a fully integrated, simultaneously optimized framework.

ادامه مطلب