تفسير للغموض الذي طال أمده في إنتاج الهيدروجين

وجد باحثون من التخنيون وجامعة بن غوريون طريقة لتحسين استخدام مادة تسمى الهيماتيت لتقسيم المياه باستخدام الطاقة الشمسية

جريدة علوم الطاقة والبيئة يُعلن عن إنجاز علمي في دراسةالهيماتيت - مادة مهمة وواعدة في مجال تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين عن طريق التحليل الكهروكيميائي الضوئي للماء. تم قيادة البحث البروفيسور أفنير روتشيلد من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون وييفات بيكنر، طالب دكتوراه في برنامج الطاقة الكبير في التخنيون (GTEP).

إن أهمية الطاقة الشمسية لحياتنا واضحة للجميع. ترسل الشمس طاقة لا نهاية لها إلى الأرض، إذا عرفنا كيفية تسخيرها بشكل صحيح لتلبية احتياجاتنا يمكننا التخلي عن استخدام الوقود الأحفوري الملوث مثل النفط والغاز. ويرتبط التحدي الرئيسي في التحول إلى الطاقة الشمسية في التوافر المتغير للإشعاع الشمسي خلال ساعات النهار وطوال الفصول المتغيرة. يتلقى كل مكان على وجه الأرض الإشعاع الشمسي لفترة محدودة خلال النهار، وفي الليل يختفي ذلك الإشعاع. وبما أن شبكة الكهرباء تحتاج إلى تيار مستمر ومستقر في جميع ساعات اليوم، فإن استخدام الطاقة الشمسية يعتمد على قدرتنا تخزين بطريقة تسمح لنا باستخدامه في الليل وفي الأيام الملبدة بالغيوم. المشكلة هي أن الشكل الذي نعرفه لتخزين الكهرباء - البطاريات والمراكم - لا ينطبق عندما يتعلق الأمر بتزويد مدينة أو حي أو مصنع بالكهرباء. علاوة على ذلك، فإن تخزين الطاقة في البطاريات والمراكم مناسب لمجموعة من الساعات ولا يمكن أن يوفر حلاً للتخزين طويل المدى بين المواسم.

الحل المحتمل لمشكلة التخزين هو تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين باستخدام الخلايا الشمسية الكهروضوئية. وتشبه هذه الخلايا الخلايا الشمسية الكهروضوئية التي تحول طاقة الشمس إلى كهرباء، ولكنها بدلاً من الكهرباء تنتج الهيدروجين بمساعدة التيار الكهربائي المتولد فيها. يتم توجيه هذا التيار إلى الانقسام الكهروضوئي الكيميائي لجزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

وميزة الهيدروجين على الكهرباء هي أنه رخيص الثمن تخزين واستخدامها عند الحاجة لإنتاج الكهرباء أو لاحتياجات أخرى مثل قيادة المركبات الكهربائية بخلية وقود تحل محل البطاريات الثقيلة والمكلفة في سيارات تسلا الكهربائية وما شابهها، والتدفئة المنزلية والصناعية، وإنتاج الأمونيا وغيرها من المواد الخام. وميزة الهيدروجين كوقود هي أن إنتاجه واستخدامه لا يصاحبه انبعاث غازات دفيئة أو أي شيء آخر غير الأكسجين والماء.  

أحد التحديات الرئيسية في الخلايا الكهروكيميائية الضوئية هو تطوير أقطاب كهربائية ضوئية فعالة ومستقرة في إلكتروليت أساسي أو حمضي، وهي البيئة الكيميائية التي يمكن فيها تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين بكفاءة عالية. تمتص الأقطاب الكهربائية الضوئية الفوتونات القادمة من الشمس، ومع الطاقة التي تتلقاها منها، فإنها تنتج تيارًا من الشحنات الكهربائية (تسمى الإلكترونات والثقوب) التي تستخدم لإنتاج الهيدروجين والأكسجين، على التوالي. لا يمكن استخدام السيليكون، وهو المادة المستخدمة في الخلايا الشمسية الكهروضوئية، كقطب كهربائي ضوئي لأنه غير مستقر في المنحل بالكهرباء.

هذه هي الخلفية لتطوير الخلايا الكهروكيميائية الضوئية القائمة على أقطاب الهيماتيت الضوئية - وهو أكسيد الحديد ذو التركيب الكيميائي المشابه للصدأ. الهيماتيت مادة رخيصة ومستقرة وغير سامة ولها خصائص مناسبة لتقسيم الماء. ومع ذلك، الهيماتيت لا يخلو من عيوبه أيضا. إحداها هي الفجوة بين الناجي النشط النظرية له والناجي عملي يتحقق في الأجهزة الفعلية. ولأسباب لم يتم الكشف عنها حتى الآن، ورغم عقود من البحث، فإن كفاءة تحويل الفوتونات إلى هيدروجين في الأجهزة المعتمدة على الهيماتيت لا تصل حتى إلى نصف الحد النظري لهذه المادة. وبالمقارنة، فإن كفاءة تحويل الفوتونات في الخلايا الشمسية السيليكونية قريبة جدًا من الحد النظري.

في الدراسة الحالية، والتي تواصل وتوسع النتائج التي نشرت مؤخرا في المجلة  مواد الطبيعةتقدم المجموعة البحثية برئاسة البروفيسور روتشيلد تفسيرًا للغموض: فقد تبين أن جزءًا كبيرًا من الفوتونات التي يمتصها الهيماتيت تخلق انتقالات إلكترونية "مرتبطة" بموقع ذري محدد في البلورة وغير قادرة على ذلك التقدم بطريقة تخلق تيارًا كهربائيًا يستخدم لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

والآن، للحصول على الأخبار الجيدة: باستخدام طريقة تحليل جديدة طورتها يفعات بيكنر بمساعدة زملائها الباحثين الدكتور ديفيد إليس من التخنيون والدكتور دانيال غروه، محاضر كبير في جامعة بن غوريون في النقب، تم قياس البيانات التالية لأول مرة:

• الكفاءة الكمية في تكوين شحنات كهربائية متنقلة في المادة نتيجة امتصاص الفوتونات عند أطوال موجية مختلفة،
• كفاءة فصل الشحنات الكهربائية المتضادة والإلكترونات والثقوب وتحويلها إلى تيار كهربائي يقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها قياس هاتين الخاصيتين، الأولى بصرية بشكل أساسي والثانية كهربائية، بشكل منفصل عن بعضهما البعض، حيث قامت دراسات سابقة بقياس التأثير الكلي لكليهما معًا. ويتيح الفصل بينهما إمكانية تتبع العوامل التي تؤثر على كفاءة استخدام الطاقة للمواد لتحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين أو كهرباء بشكل أفضل.

وبعيدًا عن الإنجاز العملي، يعد المقال اختراقًا علميًا يمهد طريقًا جديدًا لدراسة التفاعل بين الضوء والمادة في المواد ذات الإلكترونات المرتبطة (Cordependent Electron Materials).

تم دعم الدراسة من خلال التركيز البحثي على المحفزات الضوئية والأقطاب الكهربائية الضوئية لإنتاج الهيدروجين في برنامج بدائل النفط التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (ISF)، ومركز Grand Batech Technion للطاقة (GTEP) ومعهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو (RBNI).

للمقال في المجلة  علوم الطاقة والبيئة