Electrochemistry: March 2009 Archives

کوچکترین شکل حیات موجود در دنيا، توانسته بزرگترین مشکل امروزه بشر را حل کند؛ این موجودات کوچک (میکروارگانیسم ها) قادر به تولید انرژی قابل نگه داری و تجديدپذير هستند. میکروارگانیسم ها با استفاده از منابع غذایی طبیعی مختلف قادر به تولید الکتریسیته، سوخت های جايگزين مثل اتانول هستند و حتی می توانند تولید نفت را در چاه ها افزایش دهند. مطالب بالا بر اساس تحقیقاتی که در جلسه ي 106 ام انجمن میکروبیوژی امریکا (ASM) در ارلاندو، فلوریدا مطرح شده، گردآوری شده اند.

به گزارش خبرگزاري برق، الكترونيك و كامپيوتر ايران (الكترونيوز) و به نقل از يورك آلرت، ديرك لاولي (Derek Lovely)، از دانش گاه ماساچوست در آمهرست، گفت: "سلول های سوختی میکروبی ما را به تبدیل زباله های آلی و بیوتوده هاي تجديدپذير (توده ي آلی تولید شده توسط موجودت زنده) به الکتریسیته امیدوار می کنند، اما برای بیشتر كاربردها باید بهینه سازی در کنار آنها انجام گیرد". او همچنین در دیداری که در اوایل این ماه داشته اذعان کرده است که او و همکارانش با استفاده از باکتری هایی که در سطح بیولايه هاي الکترودهای سلول های سوختی میکروبی کشت داده بودند، موفق شده اند به افزایش 10 برابری در بازده الکتریکی دست يابند.

ژما رگوئرا (Gemma Reguera) كه در آزمایشگاه لاولي تحقیق می کند نیز برای اولین بار داده هايي ارائه خواهد داد كه چگونگی انتقال الکترون توسط اين باكتري ها از بیولايه ها به الکترودها را نشان خواهد داد.

رگوئرا مي گويد: "سلول های مجاور آند بدون هیچ کاهشی در بازده توليد جريان خود باقي ماندند، در حالی که ضخامت بیولايه افزایش يافت. این نتایج شگفت انگيز است چرا که باکتری جئوباکتر مولکول های قابل حلي تولید نمی کند که بتواند در بیولايه پخش شود و الکترون ها را از سلول ها به آند انتقال دهد."

او و همكارانش كشف كردند كه اين باكتري، رشته هاي پروتئيني رسانا يا پيلي نانوسيم هايي توليد مي كند كه الكترون ها را انتقال مي دهند. این یافته که پیلی ها (رشته های پروتئینی رسانا) می توانند به مسافتی را كه الكترون ها در طول آن منتقل مي شوند، گشترش دهند، راه هاي اضافي اي را پيشنهاد مي دهد كه در اين باكتري به منظور افزايش توليد توان به لحاظ ژنتيكي دست كاري هاي كرد.

محققان دانشگاه ناسيونال اوتونوما دي مكزيكو (Nacional Autonoma de Mexico) نیز تحقیقات مهمی در زمینه تولید اتانول انجام داده اند. آن ها باکتری باسیلوس سوبتیلیس را با روش های مهندسی ژنتیک دستکاری کرده اند به طوری که این باکتری به طور مستقيم گلوکز را به اتانول با بازده بالاتر از 86% تخمیر کرده است. این اولین گام برای کشت باکتری هایی است که توانایی تفکیک و تخمیر مستقیم بیوتوده هاي سلولزی (برای مثال تنه ي درختان) به اتانول را دارند.

آيدا-رومرو گارسيا (Aida-Romero Garcia)، يكي از محققان اين تحقيق، گفت: "هم اكنون، اتانول به طور معمول از نیشکر يا نشاسته ي غلات تولید می شود اما بیوتوده ي بیشتري كه در كل گیاه، شامل ساقه ها و برگ ها، وجود دارد، با به كارگيري فن آوري پاكي قابلیت تبدیل به اتانول را دارد." قدم بعدی دستکاری ژنتیکی در باکتری به منظور تولید آنزیم هایی به نام سلولاز است. این آنزیم ها توانایی شکستن قندهای ساقه ها و برگ ها به منظور تولید کربوهیدرات های ساده براي تخمیر را دارد.

به گفته ي پژوهش گران دانشگاه پن استيت، كاتاليزگرهاي دوگانه مي توانند با استفاده از نانولوله هاي تيتانيا و انرژي خورشيدي، راه حلي باشند براي تبديل كارآمد دي اكسيد كربن و بخار آب به متان و ساير هيدروكربن ها.

به گزارش خبرگزاري برق، الكترونيك و كامپيوتر ايران (الكترونيوز)، از سوختن سوخت هاي فسيلي مثل نفت،‌ گاز و زغال سنگ، مقدار زيادي دي اكسيد كربن آزاد مي شود كه يك گاز گلخانه اي است. توليدكنندگان مي توانند به جاي ايجاد تغيير در اقليم جهاني، دي اكسيد كربن را به گونه هاي گسترده اي از هيدروكربن ها تبديل كنند اما اين كار زماني قابل انجام به نظر مي رسد كه از انرژي خورشيدي استفاده شود.

پژوهش گران در مقاله ي اخير خود در Nano Letters خاطر نشان كردند: "بازيافت دي اكسيد كربن با استفاده از تبديل آن به سوخت با محتواي انرژي بالا كه براي استفاده در زيرساخت هاي انرژي مبتني بر هيدروكربن ها مناسب است، گزينه ي جالبي است،‌ هر چند اين فرآيند زماني انرژي زيادي توليد مي كند و مفيد است كه يك منبع انرژي تجديدپذير براي اين منظور قابل استفاده باشد."

كريگ اي گريمز، استاد مهندسي برق و گروه وي، با استفاده از نانولوله هاي دي اكسيد تيتانيم كه با نيتروژن تقويت شده و با لايه ي نازكي از مس و پلاتين پوشانده شده بودند، تركيبي از دي اكسيد كربن و بخار آب را به متان تبديل كردند. با انجام اين آزمايش در فضاي آزاد،‌ پژوهش گران افزايش 20 برابري در توليد متان را در مقايسه با تلاش هاي انجام شده در شرايط آزمايشگاهي با استفاده از تابش اشعه ي فرابنفش گزارش كردند.

تبديل شيميايي آب و دي اكسيد كربن به متان روي كاغذ ساده است. يك مولكول دي اكسيد كربن و دو مولكول آب تبديل به يك مولكول متان و دو مولكول اكسيژن مي شوند. با اين حال، براي اينكه اين واكنش رخ دهد حداقل هشت فوتون براي هر مولكول مورد نياز است.

گريمز كه عضو موسسه ي پژوهش مواد پن استيت نيز است،‌ گفت: "تبديل دي اكسيد كربن و آب به متان با استفاده از فوتوكاتاليز ايده ي جالبي است اما به لحاظ تاريخي، تلاش هاي صورت گرفته سرعت تبديل پاييني داشته اند. براي دست يابي به هيدروكربن قابل توجه، اين واكنش نيازمند فوتوكاتاليزگر كارآمدي است كه از بيشترين انرژي ممكن در مقابل نور خورشيد بهره مي برد."

اين گروه كه اومان كي وارگس و مگي پائولوز، دانشمندان پژوهش گر موسسه ي پژوهش مواد، و توماس جي لاتمپا، دانشجوي فارغ التحصيل مهندسي برق نيز در آن حضور دارند، از نور خورشيد طبيعي براي آزمايش نانوله هاي خود در محفظه اي شامل تركيبي از بخار آب و دي اكسيد كربن استفاده كردند. آن ها نانولوله هاي حساس شده با كاتاليزگر را به مدت 2.5 تا 3.5 ساعت در معرض نور خورشيد قرار دادند، مدت زماني كه خورشيد بين 75 تا 102 ميلي وات به ازاي هر سانتي متر مربع توليد كرد.

پژوهش گران دريافتند كه نانولوله هاي گرم شده در دماي 600 درجه ي سانتي گراد و پوشانده شده توسط مس، بيشترين مقدار هيدروكربن ها را توليد مي كند و همان نانولوله ها با پوشانده شدن توسط پلاتين، هيدروژن بيشتري توليد مي كنند در حالي كه نانولوله هاي پوشانده شده از مس مونواكسيد كربن بيشتر توليد مي كنند. هم هيدروژن و هم مونواكسيد كربن از مراحل مياني عادي در اين فرآيند هستند و به عنوان اجزاي اصلي سيگناس (تركيبي از مونواكسيد كربن و هيدروژن كه به عنوان ماده ي اوليه در توليد مواد مصنوعي شيميايي به كار مي رود)، مي توانند براي توليد سوخت هاي هيدروكربني مايع استفاده شوند.

وقتي كه اين گروه آرايه اي از نانولوله را كه نيمي از سطح آن پوشيده از مس و نيمي ديگر از آن پوشيده از پلاتين بود، به كار بردند، توانستند توليد هيدروكربن را افزايش داده و مونواكسيد كربن را از بين ببرند. ثمره ي اين نانولوله هاي كاتاليزگر دوگانه توليد 163 قسمت هيدروكربن از هر يك ميليون قسمت به ازاي هر سانتي متر مربع در يك ساعت بود. حاصل استفاده از نانولوله هاي تيتانيا بدون كاتاليزگر مس و پلاتين فقط 10 قسمت در يك ميليون است.

گريمز افزود: "اگر تمام سطح آرايه هاي نانولوله را با اكسيد مس مي پوشانديم، به نظر من مي توانستيم به شدت حاصل كار را بهتر كنيم."

گريمز همچنين دريافت كه درازتر كردن لوله هاي دي اكسيد تيتانيم كه در كاربردهاي ديگر محصول را افزايش مي دهد، نتيجه را بهتر نمي كند.

گريمز اظهار داشت: "ما فكر مي كنيم كه توزيع نانوذرات كاتاليزگر در بالاترين سطح نانولوله ها است و در داخل آن نيست و اين به خاطر اين است كه افزايش طول واكنش را بهبود نمي بخشد."

اگر چه تمام اين آزمايش ها با نانولوله هاي دي اكسيد تيتانيم تقويت شده با نيتروژن انجام شد، پژوهش گران به اين نتيجه رسيدند كه نيتروژن تبديل دي اكسيد كربن به هيدروكربن ها را بهتر نمي كند. كاتاليزگرها، واكنش را از سمتي كه فقط از انرژي نور ماوراي بنفش استفاده مي كرد به سمتي كه از ساير طول موج هاي نور مرئي و لذا بيشترين مقدار انرژي خورشيد استفاده مي كرد، سوق دادند.

اين پژوهش گران هم اكنون روي تبديل راكتور دسته اي به يك طرح جريان پيوسته كار مي كنند كه معتقدند به طور قابل ملاحظه فرآورده ها را افزايش خواهد داد.