حرکت به سمت کربن صفر صرفاً بر پایه برق تجدیدپذیر نمی‌تواند رخ بدهد. در این راستا استفاده از هیدروژن سبز نه‌تنها می‌تواند منبع گرمایشی حیاتی برای خانوارها فراهم کند، بلکه می‌تواند به کربن‌زدایی نیز کمک کند. این موضوع به ویژه در صنعت حمل و نقل از اهمیت ویژه‌ای برخودار است. محققان کشورهای مختلف در حال توسعه روش‌های تولید هیدروژن و استفاده از آن در بخش‌های مختلف هستند.

اخیراً دانشگاه کمبریج اعلام کرد که محققان این دانشگاه دستگاهی با هدف تولید همزمان سوخت هیدروژن پاک و آب تصفیه شده توسعه دادند. محصول جدید، یک دستگاه شناور روی سطح آب است که با بهره‌گیری از انرژی خورشید فعالیت می‌کند و می‌تواند آب آلوده و حتی آب دریا را به سوخت هیدروژن و آب تصفیه شده در هر نقطه از جهان تبدیل کند. این دستگاه می‌تواند در حل مشکل انرژی و بحران آب که بسیاری از نقاط جهان با آن مواجه هستند، نقش پررنگی ایفا کند. طبق اعلام سازمان بهداشت جهانی آلودگی هوای ناشی از پخت‌وپز با سوخت‌های ناپاک و کثیف مانند نفت سفید، علت مرگ بیش‌از سه میلیون نفر در هر سال است. بنابراین استفاده از هیدروژن سبز به عنوان سوخت پاک می‌تواند باعث کاهش قابل‌توجه آمار مرگ‌ومیر شود. بحران تغییر اقلیم و مسائل مربوط به آلودگی و سلامت، ارتباط نزدیکی با هم دارند و توسعه رویکردی که بتواند در راستای مواجهه کارآمد با هر دو مسأله راهگشا باشد، از اهمیت ویژه‌ای برای جوامع و دولت‌ها برخوردار است.

دستگاه جدید بر پایه عملکرد گیاهان و روش فتوسنتز آنان طراحی شده است. پیشتر محصولاتی مانند برگ مصنوعی به منظور تولید سوخت هیدروژن با الهام از فتوسنتز گیاهان اختراع شده بود. اما نیاز مبرم به آب خالص، چالش اصلی و کلیدی در استفاده از آن‌ها بود. در حالی که دسترسی به آب مناسب در اکثر نقاط جهان برای تولید هیدروژن توسط برگ مصنوعی امکان‌پذیر نیست. بنابراین برگ مصنوعی نتوانست کارکرد مناسبی داشته باشد.

در این خصوص عارفین محمد آنار از دانشجویان دانشگاه کمبریج و همکار پروژه می‌گوید: «در نواحی دورافتاده یا در حال توسعه که آب خالص نسبتاً کمیاب است و زیرساخت لازم برای تصفیه آب در دسترس نیست، تجزیه ملکول‌های آب و تولید هیدروژن بسیار دشوار است و حتی ممکن است در چنین شرایطی این مسأله در اولویت نباشد. بنابراین دستگاه توسعه داده‌شده که با استفاده از آب آلوده کار می‌کند، می‌تواند دو مشکل را در یک زمان حل ‌کند. این دستگاه می‌تواند آب را برای تولید سوخت پاک تجزیه کند و همچنین آب آشامیدنی تصفیه‌شده را تولید کند».

دکتر چَنون پورنرونگرُج از دانشکده شیمی دانشگاه کمبریج (دانشکده شیمی یوسف حمید) و نویسنده ارشد مقاله مرتبط با این دستگاه در این باره می‌گوید: «ادغام تولید سوخت پاک و تصفیه آب در یک دستگاه بسیار مشکل بود. تجزیه آب با با استفاده از خورشید، باید با آب کاملاً خالص شروع شود، زیرا هر گونه آلودگی می‌تواند به کاتالیزور آسیب رساند یا باعث واکنش‌های جانبی شیمیایی ناخواسته و کاهش خلوص سوخت بدست آمده شود».

در این راستا محققان دانشگاه کمبریج، فوتوکاتالیست را روی یک شبکه کربنی نانوساختار قرار دادند که نور و گرما را جذب می‌کند و بخار آب مورد نیاز فوتوکاتالیست برای تولید هیدروژن را تولید می‌کند. شبکه کربنی متخلخل علاوه بر کمک به شناور شدن فوتوکاتالیست، برای دور نگه داشتن آن از آب آلوده به منظور جلوگیری از تأثیر آلاینده­ها در عملکرد دستگاه نقش دارد. به عبارتی‌دیگر ​این دستگاه نسبت به آلاینده­ها مقاوم است و طراحی شناور دستگاه این فرصت را فراهم می‌آورد تا در آب بسیار کدر یا گل آلود، بدون آسیب به دستگاه و عملکرد آن کار کند. در آزمون‌های عملی نیز این دستگاه نشان داد که قادر به تولید آب خالص و تصفیه شده از آب بسیار آلوده، آب دریا و حتی از رودخانه کم در کمبریج است.

دستگاه جدید از لحاظ مکانیزم کارکرد از انرژی خورشید استفاده می‌کند. عارفین محمد آنار بیان می‌کند: «فرآیند نورمحور برای ساخت سوخت‌های خورشیدی، تنها از بخش کوچکی از طیف خورشیدی استفاده می‌کند و از مابقی طیف استفاده نمی‌کند». تیم سازنده از یک لایه سفید و جاذب UV در بالای دستگاه شناور برای تولید هیدروژن با تجزیه آب استفاده می‌کند. بقیه نور موجود در طیف خورشیدی به کف دستگاه منتقل می‌شود که آب را تبخیر می‌کند. به این ترتیب، در این دستگاه از نور استفاده بهتری می‌شود؛ ابتدا بخار آب برای تولید سوخت هیدروژن دریافت شده و مابقی بخار آب، مجدد به مایع تبدیل خواهد شد. بنابراین دستگاه حاضر مانند فرآیند تعرق برگ واقعی عمل می‌کند.

نتایج این تحقیق و آزمایشات مربوطه در قالب مقاله در سال ۲۰۲۳ منتشر شده است. علاقمندان برای مطالعه بیشتر می‌توانند به مقاله Hybrid Photothermal–photocatalyst Sheets For Solar-driven Overall Water Splitting Coupled To Water Purification در مجله Nature Water مراجعه کنند.