ابتكر باحثون في جامعة ولاية أوريجون، محفزًا ضوئيًا جديدًا، يمكنه إنتاج الهيدروجين بكفاءة عالية من ضوء الشمس والماء، مما يقدم بديلاً مستداماً وذو تكلفة أقل مقارنة بطرق إنتاج الهيدروجين التقليدية المعتمدة على الوقود الأحفوري.
وفي تعاون يقوده كيرياكوس ستليانو من كلية العلوم بجامعة ولاية أوريجون، تم تطوير المادة التي تمثل نقلة نوعية في مجال الطاقة المتجددة، حيث يمكن استخدامها في خلايا الوقود للسيارات وفي تصنيع مواد كيميائية متنوعة مثل الأمونيا، وكذلك في تكرير المعادن وصناعة البلاستيك.
وأكد ستليانو أن هذا الابتكار يشكل أداة قوية لمكافحة انبعاثات الغازات الدفيئة وتغير المناخ، إذ تعتمد أبحاثه على المواد البلورية المسامية المعروفة بالأطر العضوية المعدنية (MOFs)، والتي تتكون من أيونات معدنية موجبة الشحنة محاطة بجزيئات عضوية "رابطة".
وتتميز هذه الأطر بمرونتها الهيكلية ومسامها النانوية، مما يسمح بتعديل خصائصها وفقًا لمتطلبات محددة.
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون إطارًا عضويًا معدنيًا لإنشاء تقاطع غير متجانس من أكسيد معدني - مزيج من مادتين بخصائص مكملة - يعمل كمحفز ضوئي يفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة عالية عند تعرضه لأشعة الشمس.
صورة توضح انقسام الماء عن طريق التحفيز الضوئي
حول التحفيز الضوئي
يتكون هذا التقاطع، الذي أطلق عليه اسم RTTA، من أكسيد الروثينيوم المشتق من الأطر العضوية المعدنية وأكسيد التيتانيوم المخدر بالكبريت والنيتروجين، وبعد اختبار عدة تركيبات، تبين أن RTTA-1، التي تحتوي على أقل نسبة من أكسيد الروثينيوم، كانت الأسرع والأكثر كفاءة في إنتاج الهيدروجين.
ستليانو، أوضح أن جرامًا واحدًا من RTTA-1 يمكنه إنتاج أكثر من 10700 ميكرومول من الهيدروجين في ساعة واحدة فقط، مستغلاً الفوتونات بمعدل 10%، مما يعني أن كل 100 فوتون تضرب المادة، يسهم 10 منها في إنتاج الهيدروجين.
أرجع ستليانو هذا الأداء المتميز إلى التأثيرات التآزرية بين أكاسيد المعادن وخصائص السطح الفريدة من الإطار العضوي المعدني (MOF) الأم، مما يعزز نقل الإلكترونات.
وتسلط الدراسة الضوء على إمكانيات التقاطعات غير المتجانسة للأكاسيد المعدنية المستمدة من الأطر العضوية المعدنية كمحفزات ضوئية فعالة لإنتاج الهيدروجين عمليًا مما يساهم في تطوير حلول طاقة مستدامة وفعالة.
وتُعد عملية إنتاج الهيدروجين بفصل الماء عبر التحفيز الضوئي، أنظف بكثير من الطريقة التقليدية لاستخلاص الهيدروجين من الغاز الطبيعي عبر عملية تنتج ثاني أكسيد الكربون تُعرف بإعادة تشكيل البخار الميثاني.
تشمل العمليات التحفيزية الحالية لإنتاج الهيدروجين من الماء التحفيز الكهربائي - تشغيل الكهرباء عبر المحفز، وتعتمد استدامة التحفيز الكهربائي على استخدام الطاقة المتجددة، ولكي تكون قادرة على المنافسة في السوق، يجب أن تكون غير مكلفة.
حالياً، تنتج عملية إعادة تشكيل البخار الميثاني الهيدروجين بتكلفة حوالي 1.50 دولار للكيلوجرام، مقارنة بحوالي 5 دولارات للكيلوجرام للهيدروجين الأخضر.
وأشار ستليانو إلى أن الماء هو مصدر وفير للهيدروجين، والتحفيز الضوئي يوفر وسيلة لاستغلال الطاقة الشمسية الوفيرة لإنتاج الهيدروجين بشكل مستدام، رغم أن أكسيد الروثينيوم ليس رخيصاً، إلا أن الكميات المستخدمة في هذا المحفز قليلة جداً، مما يجعل تكلفته معقولة إذا أظهر المحفز استقراراً وقابلية للتكرار في التطبيقات الصناعية.
المصدر: Scitechdaily
