اسفناج؛ كليد توليد كاتاليزور سلول سوختي تجديدپذير

 كاتاليزورها بخش كليدي توليد سلول‌ سوختي بهينه هستند. يك كاتاليزور خوب منجر به واكنش‌هاي شيميايي سريع‌تر و بهينه‌ترمي‌شود و درنتيجه بازدهي انرژي را افزايش مي‌دهد. سلول‌هاي سوختي كنوني عموما به كاتاليزورهاي پلاتيني وابسته هستند؛ اما به عقيده‌ي دانشمندان آمريكايي، اسفناج ابرغذايي مملو از مواد مغذي است كه مي‌توان از آن كاتاليزوري تجديدپذير و غني از كربن توليد كرد؛ قطعا ملوان زبل اين يافته را تأييد مي‌كند.

اسفناج تاريخچه‌اي طولاني در علم دارد؛ ايده‌ي استخراج ويژگي‌هاي الكتروشيميايي و فتوسنتزي اسفناج از چهل سال پيش مطرح شد. اسفناج غني از آهن و نيتروژن است، فراواني بالايي دارد و با كم‌ترين هزينه و به‌آساني پرورش مي‌يابد. سال‌ها پيش الياس گرينباوم با استناد به پژوهش مرتبط با اسفناج خود، به مراكز واكنشي مبتني بر پروتئين در برگ‌هاي اسفناج اشاره كرد كه مكانيزم اوليه‌ي فتوسنتز هستند؛ فتوسنتز فرآيندي شيميايي است كه طي آن گياهان كربن دي‌اكسيد را به اكسيژن و كربوهيدرات تبديل مي‌كنند.

دو نوع مركز واكنشي وجود دارد. نوع اول موسوم به فوتوسيستم (PS1) كه كربن ‌دي‌اكسيد را به قند تبديل مي‌كند؛ نوع ديگر، فتوسيستم ۲ (PS2) است كه صرفا آب را براي توليد اكسيژن تجزيه مي‌كند. PS1 توجه بسياري از پژوهشگرها را به خود جلب كرده است. اين مركز مانند باتري كوچك فتوسنتزي عمل مي‌كند كه انرژي نور خورشيد را دريافت و الكترون‌هايي با بازدهي نزديك به ۱۰۰ درصد منتشر مي‌كند. PS1 مي‌تواند جريان نوري برق را در كسري از ثانيه توليد كد.

انرژي توليدي PS1 شايد زياد نباشد؛ اما براي راه‌اندازي ماشين‌هاي مولكولي كوچك به مدت يك روز كافي است. پروژه‌ي گرين باوم براي ساخت شبكه‌هاي مصنوعي، جايگزيني سلول‌هاي خراب شبكيه با PS1 حساس به نور و بازيابي بينايي در افرادي كه شرايط بينايي خوبي ندارند، مفيد است. ازآنجاكه PS1-ها را مي‌توان به گونه‌اي تغيير داد كه ماند ديود عمل كنند، با عبور جريان از يك جهت و اتصال آن‌ها ازطريق سيم‌هاي مولكولي متشكل از نانولوله‌هاي كربني، مي‌توان گيت‌هاي منطقي مناسبي براي پردازنده‌هاي كامپيوتري را توليد كرد.

گرينباوم تنها يكي از چند پژوهشگر علاقه‌مند به اسفناج است. براي مثال دانشمندان دانشگاه واندربيلت، در سال ۲۰۱۲ براي رسيدن به سطح جريان ۱۰۰۰ برابري هنگام تجزيه‌ي مراكز پروتئيني، دست به تركيب PS1-ها با سيليكون زدند. هدف اين آزمايش ساخت سلول‌هاي خورشيدي بيوهيبريدي بود كه بتوانند از انديشه متخصصين سطح جريان و ولتاژ با سلول‌هاي خورشيدي استاندارد سيليكوني رقابت كنند.

اسفناج علاوه بر مراكز واكنش داراي ويژگي‌هاي جذاب ديگري است. براي مثال، دانشمندان چيني در سال ۲۰۱۴ از آزمايش‌هايي براي جمع‌آوري كربن فعال اسفناج براي الكترودهاي خازني خبر دادند. از طرفي در دسامبر سال گذشته، گروه ديگري از دانشمندان چيني به مطالعه پتانسيل توليد نانوكامپيوزيت اسفناجي و استفاده از آن‌ به‌عنوان فتوكاتاليزور پرداختند.

كاربرد اسفناج به‌عنوان كاتاليزور در فناوري پيل سوختي اميدبخش است. پيشنهاد گرينباوم استفاده از اسفناج به‌عنوان كاتاليزوري در PS1 براي توليد گاز هيدروژن خالص و تقويت سلول‌هاي سوختي بود. اين سبزي برگ‌دار، كاتاليزوري ارزان و داراي مواد سمي كم براي واكنش كاهش اكسيژن در سلول‌هاي سوختي است. بر اساس پژوهش جديد، از اين فرايند براي توليد نانوشيت كربني استفاده مي‌شود.

اولين مرحله‌ در پژوهش فوق مشابه پژوهش گرينباوم است. فرايند با يك ميكسر متداول آشپزخانه شروع مي‌شود كه مملو از برگ‌هاي اسفناج است. پژوهشگرها آب به‌دست‌آمده را منجمد و آن را به پودر تبديل كردند. سپس نمك (سديم كلرايد، پتاسيم كلرايد) و مقداري ملامين را براي تقويت محتواي نيتروژني اضافه كردند. به گفته‌ي شو ژانگ زو، استاد شيمي:

در اين مرحله بايد مقدار بيشتري نيتروژن به ماده‌ي پايه اضافه كرد؛ زيرا گرچه اسفناج نيتروژن زيادي دارد، بخش زيادي از اين نيتروژن در طول فرايند آماده‌سازي از بين مي‌رود.

نمك يكي از مواد كليدي ايجاد حفره در نانوشيت‌هاي نهايي است و مي‌تواند مساحت سطح موجود را براي بهينه‌سازي واكنش‌هاي شيميايي افزايش دهد. به گفته‌ي زو: «نانوشيت‌ها وقتي روي هم قرار مي‌گيرند، مانند يك پشته‌ي كاغذي جامد نيستند؛ به همين دليل بايد سوراخ‌هايي را در آن‌ها ايجاد كرد.»

اين پژوهش ثابت مي‌كند مي‌توان براي كاهش اكسيژن، كاتاليزورهاي پايدار از منابع طبيعي توليد كرد. با اين روش مي‌توان دست به توليد كاتاليزور كربني از اسفناج زد كه همان زيست‌توده‌ي تجديدپذير است. در مواقع معتقديم اين ماده چه از انديشه متخصصين فعاليت چه از انديشه متخصصين ثبات، از كاتاليزورهاي تجاري پلاتيني بهتر است.

پژوهش فوق صرفا اثباتي براي متخصصد كاتاليزور اسفناجي است و نتيجه‌ي مطلوب در آزمايشگاه‌هاي ايده‌آل، لاخبار تخصصيا به ‌معني متخصصد جهان واقعي نيست. گام بعدي، توليد نمونه‌ي اوليه‌‌اي است كه از كاتاليزور اسفناجي در سلول سوخت واقعي هيدروژني استفاده كند. به گفته‌ي زو، براي رسيدن به اين نتيجه نياز به مشاركت آزمايشگاه‌هاي ديگر داريم. اسفناج همچنين مي‌تواند كاتاليزور خوبي براي باتري‌ خودروهاي برقي باشد.

مستندات اين پژوهش در مقاله‌اي جديد در مجله‌ي ACS Omega منتشر شده است.