نانومواد در تولید هیدروژن سبز: دیدگاه‌های فنی پیرامون ‏انتخاب نانومواد، ویژگی‌ها، روش‌های تولید و کاربردهای ‏تجاری

الموضوعات :

مجید میرزایی ¹ , طیبه محبی ² , مسعود همدانیان ³

1 - استادیار‎ ‎گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران
2 - دانشجوی دکتری گروه نانوشیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران.‏
3 - دانشیار‎ ‎گروه نانوشیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران. ‏

تاريخ الإرسال : 28 الخميس , ذو الحجة, 1445 تاريخ التأكيد : 15 الإثنين , صفر, 1446 تاريخ الإصدار : 05 الأربعاء , رمضان, 1446

الکلمات المفتاحية: انرژی, هیدروژن سبز, نانومواد, تولید, ذخیره‏سازی, فتوسنتز‎.‎,

ملخص المقالة :

هیدروژن به­دلیل فراوانی و ویژگی‌های برجسته‌اش، گزینه‌ای دلخواه برای بسیاری از کاربردهای انرژی بشمار می‌رود. ذخیره‌سازی و تولید آن به­عنوان اولویت‌های توسعه‌ای مطرح شده‌اند. همچنین، نقش نانومواد در تولید، ذخیره‌سازی و استفاده تجاری هیدروژن بسیار مهم است. این مقاله به بررسی ویژگی‌های انرژی هیدروژن، هیدروژن سبز، نانومواد مورداستفاده برای تولید، روش‌های تولید آن‌ها و کاربردهای تجاری پرداخته است. در ابتدا، یک مرور کلی بر انرژی هیدروژن و ویژگی‌های اصلی آن ارائه و سپس، اهمیت هیدروژن سبز به دقت بررسی شده است. افزون‌بر ‌استفاده از نانومواد در تولید هیدروژن سبز، به روش‌های تولید نانومواد نیز توجه شده است. ارزیابی‌های فنی و اقتصادی و امکانات استفاده از هیدروژن در کاربردهای انرژی نیز مطالعه شده است. استفاده از نانوذره­های سازگار با محیط‌زیست برای تولید هیدروژن به جای نانوذره­های شیمیایی می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک کند. استفاده دوباره از نانوذره­ها با استفاده از روش‌های محبوس‌سازی نیز یک راه ممکن برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها است. در پایان، برپایه نتیجه­های پژوهش، جهت‌گیری‌های آینده تشریح شده‌اند.هیدروژن به­دلیل فراوانی و ویژگی‌های برجسته‌اش، گزینه‌ای دلخواه برای بسیاری از کاربردهای انرژی بشمار می‌رود. ذخیره‌سازی و تولید آن به­عنوان اولویت‌های توسعه‌ای مطرح شده‌اند. همچنین، نقش نانومواد در تولید، ذخیره‌سازی و استفاده تجاری هیدروژن بسیار مهم است. این مقاله به بررسی ویژگی‌های انرژی هیدروژن، هیدروژن سبز، نانومواد مورداستفاده برای تولید، روش‌های تولید آن‌ها و کاربردهای تجاری پرداخته است. در ابتدا، یک مرور کلی بر انرژی هیدروژن و ویژگی‌های اصلی آن ارائه و سپس، اهمیت هیدروژن سبز به دقت بررسی شده است. افزون‌بر ‌استفاده از نانومواد در تولید هیدروژن سبز، به روش‌های تولید نانومواد نیز توجه شده است. ارزیابی‌های فنی و اقتصادی و امکانات استفاده از هیدروژن در کاربردهای انرژی نیز مطالعه شده است. استفاده از نانوذره­های سازگار با محیط‌زیست برای تولید هیدروژن به جای نانوذره­های شیمیایی می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک کند. استفاده دوباره از نانوذره­ها با استفاده از روش‌های محبوس‌سازی نیز یک راه ممکن برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها است. در پایان، برپایه نتیجه­های پژوهش، جهت‌گیری‌های آینده تشریح شده‌اند.

المصادر:

1. Fan Z, Zhang X, Li Y, Guo X, Jin Z. Construct 3D NiCo-LDH/Cu2O pn heterojunction via electrostatic self-assembly for enhanced photocatalytic hydrogen evolution. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022;110:491-502.
2‎[‎‏1] Fan Z, Zhang X, Li Y, Guo X, Jin Z. Construct 3D NiCo-LDH/Cu2O pn heterojunction ‎via electrostatic self-assembly for enhanced photocatalytic hydrogen evolution. Journal of Industrial and ‎Engineering Chemistry. 2022;110:491-502. doi: 10.1016/j.jiec.2022.03.027 ‎
‎[2] Mirzaee M, Mohebbi T, Rezakhani D. A Comprehensive review of the corrosion and erosion resistant coating ‎on the fireside in power plant boilers. Farayandno. 2023;18(82):73-93. doi: ‎‏10.22034/farayandno.2023.2001252.1920‏
‎[3] Yaman H, Yesilyurt MK, Uslu S. Simultaneous optimization of multiple engine parameters of a 1-‎heptanol/gasoline fuel blends operated a port-fuel injection spark-ignition engine using response surface ‎methodology approach. Energy. 2022;238:122019. doi: 10.1016/j.energy.2021.122019‎
‎[4] Dincer I. Green methods for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(2):1954-‎‏71. doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.03.173‏
‎[5] Mirzaee M, Mohebbi T. A review of anti-corrosion and erosion protective coatings in offshore wind power ‎devices. Journal of Studies in Color World. 2024;14(2):133-5‎‏9. doi: 10.30509/jscw.2024.82001‏
‎[6] Rosen MA, Koohi-Fayegh S. The prospects for hydrogen as an energy carrier: an overview of hydrogen energy ‎and hydrogen energy systems. Energy, Ecology and Environment. 2016;1:10-2‎‏9. doi: ‏‏10.1007/s40974-016-0005-‏z
‎[7] Pourhashem S, Seif A, Zhou Z, Ji X, Sgroi MF, Duan J, et al. Theoretical and experimental investigations about ‎the role of MXene nanosheets covered with ZnO quantum dots on barrier resistance of epoxy coatings. Journal ‎of Environmental Chemical Engineering. 2024;12(1):111869. doi: 10.1016/j.jece.2023.111869‎
‎[8] Mirzaee M, Dehghanian C. Flower-like mesoporous nano NiCo2O4-decorated ERGO/Ni-NiO foam as electrode materials ‎for supercapacitor. Materials Research Bulletin. 2019;109:10-2‎‏0. doi: ‏‏10.1016/j.materresbull.2018.09.020‏
‎[9] Dincer I, Zamfirescu C. Sustainable hydrogen production options and the role of IAHE. International Journal of ‎Hydrogen Energy. 2012;37(21):16266-86. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.02.133‎
‏10. Mirzaee M, Dehghanian C. Pulsed electrodeposition of reduced graphene oxide ‏on NiNiO foam electrode for high-performance supercapacitor. International Journal of Hydrogen Energy. ‎‏2018;43(27):12233-50. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.04.173‏
‎[11] Zhang Y, Ying Z, Zhou J, Liu J, Wang Z, Cen K. Electrolysis of the Bunsen reaction and properties of the ‎membrane in the sulfur–iodine thermochemical cycle. Industrial & Engineering Chemistry Research. ‎‏2014;53(35):13581-8. doi: 10.1021/ie502275s
‎[12] Roessler PG, Lien S. Activation and de novo synthesis of hydrogenase in Chlamydomonas. Plant Physiology. ‎‏1984;76(4):1086-9. doi: 10.1104/pp.76.4.1086‏
‎[13] McCarty RD, Hord J, Roder HM. Selected properties of hydrogen (engineering design data), NBS monograph ‎‏168. US: National Bureau of Standards; 1981.‏
‎[14] Dawood F, Anda M, Shafiullah G. Hydrogen production for energy: An overview. International Journal of ‎Hydrogen Energy. 2020;45(7):3847-69. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.12.059‎
‎[15] Staffell I, Scamman D, Abad AV, Balcombe P, Dodds PE, Ekins P, et al. The role of hydrogen and fuel cells ‎in the global energy system. Energy & Environmental Science. 2019;12(2):463-9‎‏1. doi: ‏‏10.1039/C8EE01157E
‎[16] Nikolaidis P, Poullikkas A. A comparative overview of hydrogen production processes. Renewable and ‎sustainable energy reviews. 2017;67:597-611. doi: 10.1016/j.rser.2016.09.044‎
‎[17] Majumdar A, Deutch JM, Prasher RS, Griffin TP. A framework for a hydrogen economy. Joule. ‎‏2021;5(8):1905-8. doi: 10.1016/j.joule.2021.07.007‏
‎[18] Zhou Y, Li R, Lv Z, Liu J, Zhou H, Xu C. Green Hydrogen: A promising way to the carbon-free society. ‎Chinese Journal of Chemical Engineering. 2022;43:2-13. doi: 10.1016/j.cjche.2022.02.001‎
‎[19] Ko DH, Kang SC, Lee CW, Im JS. Effects of support porosity of Co-Mo/MgO catalyst on methane catalytic ‎decomposition for carbon and hydrogen production. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. ‎‏2022;112:162-70. doi: 10.1016/j.jiec.2022.05.008‏
‎[20] Oliveira AM, Beswick RR, Yan Y. A green hydrogen economy for a renewable energy society. Current ‎Opinion in Chemical Engineering. 2021;33:100701. doi: 10.1016/j.coche.2021.100701‎
‎[21] Khin MM, Nair AS, Babu VJ, Murugan R, Ramakrishna S. A review on nanomaterials for environmental ‎remediation. Energy & Environmental Science. 2012;5(8):8075-1‎‏09. doi: 10.1039/C2EE21818F
‎[22] Yeo M-K, Nam D-H. Influence of different types of nanomaterials on their bioaccumulation in a paddy ‎microcosm: A comparison of TiO2 nanoparticles and nanotubes. Environmental Pollution. 2013;178:166-7‎‏2. ‏doi: 10.1016/j.envpol.2013.03.040‎
‎[23] Mirzaee M, Dehghanian C, Sabet Bokati K. ERGO grown on Ni-Cu foam frameworks by constant potential ‎method as high performance electrodes for supercapacitors. Applied Surface Science. 2018;436:1050-6‎‏0. ‏doi: 10.1016/j.apsusc.2017.12.145‎
‎[24] Mirzaee M, Dehghanian C. Synthesis of nanoporous copper foam-applied current collector electrode for ‎supercapacitor. Journal of the Iranian Chemical Society. 2019;16(2):283-9‎‏2. doi: 10.1007/s13738-‏‏018-1505-x
‎[25] Mirzaee M, Rashidi A, Zolriasatein A, Rezaei Abadchi M. A simple, low cost, and template-free method for synthesis of ‎boron nitride using different precursors. Ceramics International. 2021;47(5):5977-8‎‏4. doi: ‏‏10.1016/j.ceramint.2020.10.171‏
‎[26] Mirzaee M, Rashidi A, Zolriasatein A, Rezaei Abadchi M. Solid-state synthesis and characterization of two-‎dimensional hexagonal BCN nanosheet using a free template method. Diamond and Related Materials. ‎‏2021;115:108350. doi: 10.1016/j.diamond.2021.108350‏
‎[27] Zhou G, Goshi E, He Q. Micro/Nanomaterials‐augmented hydrogen therapy. Advanced Healthcare Materials. ‎‏2019;8(16):1900463. doi: 10.1002/adhm.201900463‏
‎[28] Bhanja P, Bhaumik A. Porous nanomaterials as green catalyst for the conversion of biomass to bioenergy. Fuel. ‎‏2016;185:432-41. doi: 10.1016/j.fuel.2016.08.004‏
‎[29] Niemann MU, Srinivasan SS, Phani AR, Kumar A, Goswami DY, Stefanakos EK. Nanomaterials for hydrogen ‎storage applications: A review. Journal of Nanomaterials. 2008;950967:1-9. doi: 10.1155/2008/‎‏950967 ‏
‎[30] Mirzaee M, Vaezi M, Palizdar Y. Synthesis and characterization of silver doped hydroxyapatite ‎nanocomposite coatings and evaluation of their antibacterial and corrosion resistance properties in simulated ‎body fluid. Materials Science and Engineering: C. 2016;69:675-84. doi: 10.1016/j.msec.2016.07.057‎
‎[31] Alaqad K, Saleh TA. Gold and silver nanoparticles: synthesis methods, characterization routes and ‎applications towards drugs. J Environ Anal Toxicol. 2016;6(4):525-2‎‏161. doi: 10.4172/2161-‏‏0525.1000384‏
‎[32] Janardhanan R, Karuppaiah M, Hebalkar N, Rao TN. Synthesis and surface chemistry of nano silver particles. ‎Polyhedron. 2009;28(12):2522-30. doi: 10.1016/j.poly.2009.05.038‎
‎[33] Shi H, Magaye R, Castranova V, Zhao J. Titanium dioxide nanoparticles: A review of current toxicological ‎data. Particle and fibre toxicology. 2013;10:1-33. doi: 10.1186/1743-8977-1‎‏0-15‏
‎[34] Schwarz JA, Contescu CI, Putyera K. Dekker encyclopedia of nanoscience and nanotechnology. US: CRC press; 2004.‎
‎[35] Khot LR, Sankaran S, Maja JM, Ehsani R, Schuster EW. Applications of nanomaterials in agricultural ‎production and crop protection: A review. Crop Protection. 2012;35:64-70. doi: ‎‏10.1016/j.cropro.2012.01.007‏
‎[36] Pourhashem S, Seif A, Saba F, Nezhad EG, Ji X, Zhou Z, et al. Antifouling nanocomposite polymer coatings ‎for marine applications: A review on experiments, mechanisms, and theoretical studies. Journal of Materials ‎Science & Technology. 2022;118:73-113. doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.061‎
‎[37] Mirzaee M, Seif A, Rashidi A, Silvestrelli PL, Zhou Z, Pourhashem S, et al. Investigating the effect of ‎PDA/KH550 dual functionalized h-BCN nanosheets and hybrided with ZnO on corrosion and fouling ‎resistance of epoxy coating: Experimental and DFT studies. Journal of Environmental Chemical Engineering. ‎‏2022;10(6):108746. doi: 10.1016/j.jece.2022.108746‏
‎[38] Gruere GP, Narrod CA, Abbott L. Agriculture, food, and water nanotechnologies for the poor: Opportunities, ‎constraints, and role of the Consultative Group on International Agricultural Research. Netherlands: IFPRI ‎Discussion Paper 1064; 2011.‎
‎[39] Gajanan K, Tijare S. Applications of nanomaterials. Materialstoday: Proceedings. 2018;5(1):1093-6. doi: ‎‏10.1016/j.matpr.2017.11.187‏
‎[40] Chen C, Zhou Y, Fang H, Peng X, Jiang L. Progress and challenges in energy storage and utilization via ‎ammonia. Surface Science and Technology. 2023;1(1):13. doi: 10.1007/s44251-023-‎‏00013-6‏
‎[41] Peralta-Videa JR, Zhao L, Lopez-Moreno ML, de la Rosa G, Hong J, Gardea-Torresdey JL. Nanomaterials and ‎the environment: A review for the biennium 2008–2‎‏010. Journal of hazardous materials. ‏‏2011;186(1):1-15. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.11.020‏
‎[42] Ghasemzadeh G, Momenpour M, Omidi F, Hosseini MR, Ahani M, Barzegari A. Applications of ‎nanomaterials in water treatment and environmental remediation. Frontiers of Environmental Science & ‎Engineering. 2014;8:471-82. doi: 10.1007/s11783-0‎‏14-0654-0‏
‎[43] Ostadi M, Paso KG, Rodriguez-Fabia S, Øi LE, Manenti F, Hillestad M. Process integration of green ‎hydrogen: Decarbonization of chemical industries. Energies. 2020;13(18):4859. doi: 10.3390/en13184859‎
‎[44] Dagdougui H. Models, methods and approaches for the planning and design of the future hydrogen supply ‎chain. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(6):5318-2‎‏7. doi: ‏‏10.1016/j.ijhydene.2011.08.041‏
‎[45] Froudakis GE. Hydrogen storage in nanotubes & nanostructures. Materials Today. 2011;14(7-8):324-8. doi: ‎‏10.1016/S1369-7021(11)70162-6‏
‎[46] Sakintuna B, Lamari-Darkrim F, Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review. ‎International Journal of Hydrogen Energy. 2007;32(9):1121-40. doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.11.022‎
‎[47] Bouaricha S, Dodelet J, Guay D, Huot J, Boily S, Schulz R. Hydriding behavior of Mg–Al and leached Mg–Al ‎compounds prepared by high-energy ball-milling. Journal of Alloys and Compounds. 2000;297(1-2):282-93. ‎doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.11.022‎
‎[48] Glenk G, Reichelstein S. Economics of converting renewable power to hydrogen. Nature Energy. ‎‏2019;4(3):216-22. doi: 10.1038/s41560-019-0326-1‏
‎[49] Adnan N, Nordin SM, Bahruddin MA, Tareq AH. A state-of-the-art review on facilitating sustainable ‎agriculture through green fertilizer technology adoption: Assessing farmers behavior. Trends in Food Science ‎& Technology. 2019;86:439-52. doi: 10.1016/j.tifs.2019.‎‏02.040‏
‎[50] Ahmed A, He P, He P, Wu Y, He Y, Munir S. Environmental effect of agriculture-related manufactured nano-‎objects on soil microbial communities. Environment international. 2023;173:107819. doi: ‎‏10.1016/j.envint.2023.107819‏
‎[51] ul Ain Q, Hussain HA, Zhang Q, Rasheed A, Imran A, Hussain S, et al. Chapter thirteen-Use of nano-‎fertilizers to improve the nutrient use efficiencies in plants. In: Aftab T, Hakeem KR, editors. Sustainable plant ‎nutrition. US: Academic Press 2023. p. 299-321. doi: 10.1016/B978-‎‏0-443-18675-2.00013-4‏
‎[52] Tamhankar S, Green hydrogen by pyroreforming of glycerol. In: Hydrogen Systems: Enabling Energy ‎Solutions. 19th World Hydrogen Energy Conference; 2012 Jun 3-7; Toronto, Canada. Elsevier Procedia; 2013. ‎
‎[53] Palys MJ, Daoutidis P. Optimizing renewable ammonia production for a sustainable fertilizer supply chain ‎transition. ChemSusChem. 2023;16(22):e202300563. doi: 10.1002/cssc.202300563‎
‎[54] Dubas ST, Pimpan V. Green synthesis of silver nanoparticles for ammonia sensing. Talanta. 2008;76(1):29-‎‏33. doi: 10.1016/j.talanta.2008.01.062‏
‎[55] Qureshi S, Mumtaz M, Chong FK, Mukhtar A, Saqib S, Ullah S, et al. A review on sensing and catalytic ‎activity of nano-catalyst for synthesis of one-step ammonia and urea: Challenges and perspectives. ‎Chemosphere. 2022;291:132806. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132806‎
‎[56] Valente A, Iribarren D, Dufour J. Life cycle assessment of hydrogen energy systems: A review of ‎methodological choices. The International Journal of Life Cycle Assessment. 2017;22:346-6‎‏3. doi: ‏‏10.1007/s11367-016-1156-‏z
‎[57] Peng B, Tang J, Luo J, Wang P, Ding B, Tam KC. Applications of nanotechnology in oil and gas industry: ‎Progress and perspective. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2018;96(1):91-1‎‏00. doi: ‏‏10.1002/cjce.23042‏
‎[58] Singh R, Altaee A, Gautam S. Nanomaterials in the advancement of hydrogen energy storage. Heliyon. ‎‏2020;6(7):e04487. doi: 10.1016/j.heliyon.2020.e04487‏
‎[59] Zhao G, Nielsen ER, Troncoso E, Hyde K, Romeo JS, Diderich M. Life cycle cost analysis: A case study of ‎hydrogen energy application on the Orkney Islands. International Journal of Hydrogen Energy. ‎‏2019;44(19):9517-28. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.015‏
‎[60] Heijungs R. Chain management by life cycle assessment (CMLCA). Journal of Environmental Science and ‎Sustainable Development.2003;3:1-29. doi: org/10.7454/jessd.v3i1.1045 ‎
‎[61] Ajanovic A, Sayer M, Haas R. The economics and the environmental benignity of different colors of hydrogen. ‎International Journal of Hydrogen Energy. 2022;47(57):24136-5‎‏4. doi: ‏‏10.1016/j.ijhydene.2022.02.094‏
‎[62] Muradov NZ, Veziroğlu TN. “Green” path from fossil-based to hydrogen economy: An overview of carbon-‎neutral technologies. International Journal of Hydrogen Energy. 2008;33(23):6804-3‎‏9. doi: ‏‏10.1016/j.ijhydene.2008.08.054‏
‎[63] Dash SK, Chakraborty S, Roccotelli M, Sahu UK. Hydrogen fuel for future mobility: Challenges and future ‎aspects. Sustainability. 2022;14(14):8285. doi: 10.3390/su14148285‎