تقوم خلية شمسية جديدة بتفكيك الماء مباشرة للحصول على هيدروجين قابل لإعادة التدوير

"هذا نظام غير فعال لإثبات المفهوم. ولكن في النهاية، يمكن تحقيق الأنظمة التحفيزية ذات كفاءة تحويل الطاقة الشمسية بنسبة 10-15 بالمائة".

الأشجار والطحالب تفعل هذا. وحتى بعض البكتيريا والفطريات، لكن العلماء واجهوا تحديًا كبيرًا في تطوير طرق لتحويل ضوء الشمس إلى وقود صالح للاستخدام. الآن، قدم العلماء وسيلة تتيح إثبات القدرة المفاهيمية على تحليل الماء للحصول على هيدروجين قابل لإعادة التدوير.

"هذا نظام غير فعال لإثبات المفهوم. يقول توماس مالوك، أستاذ الكيمياء وفيزياء المواد في شركة دوبونت: "لكن في النهاية، يمكن تحقيق الأنظمة التحفيزية ذات كفاءة تحويل الطاقة الشمسية بنسبة 10-15 بالمائة". وإذا تحققت الفكرة فإن تقسيم الماء سيسمح بالحصول على مصدر نظيف وآمن لوقود الهيدروجين من الماء وأشعة الشمس. ورغم أن الخلايا الشمسية يمكنها حاليا توليد الكهرباء من الضوء المرئي بكفاءة أعلى من عشرة بالمئة، فإن الخلايا الشمسية الهيدروجينية -مثل تلك التي طورها كريج غرايمز، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة بنسلفانيا- محدودة بسبب الاستجابة الطيفية الضعيفة لأشباه الموصلات التي اصنعهم.

في الأساس، يمكن للمستقبلات الضوئية الجزيئية استخدام جزء أوسع من طيف الضوء المرئي في عملية تحاكي عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة. يستخدم التمثيل الضوئي الكلوروفيل ومركبات الألوان الأخرى لامتصاص الضوء المرئي. حتى الآن، أدت التجارب على مركبات الألوان الطبيعية والصناعية إلى الحصول على منتجات ثانوية تنشأ من تفاعل المواد المتفاعلة المختلفة مع الهيدروجين أو الأكسجين المنطلق في العملية، وبالتالي لا تتوفر عملية مستمرة وكاملة بعد. ولا تزال هذه العمليات أيضًا أكثر تكلفة من التصريف الكهربائي للمياه. أحد الأسباب الرئيسية لذلك ينبع من حقيقة أنه بمجرد فصل الهيدروجين والأكسجين بشكل منفصل، فإنهما يتفاعلان معًا بسهولة شديدة للحصول على الماء مرة أخرى. كما تعتبر المحفزات المستخدمة في دراسة تفاعلات الأكسجين والهيدروجين المنفصلة من المحفزات الفعالة في تفاعل التوصيل بينهما.

قام مالوك وجاستن يونجبلود، زميل ما بعد الدكتوراه في الكيمياء، بالتعاون مع باحثين من جامعة أريزونا، بتطوير نظام حفاز يمكنه، بالاشتراك مع مركب صبغي، محاكاة عمليات نقل الإلكترون وأكسدة الماء التي تحدث في النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي. . وقد أبلغوا عن نتائج تجاربهم في الاجتماع السنوي لـ "الرابطة الأمريكية لتقدم العلوم" في بوسطن في 17 فبراير. يكمن مفتاح نجاح عمليتهم في اقتران صغير (معقد) من المركبات مع مركز حيث يوجد محفز أكسيد الإيريديوم محاطًا بمركبات ذات لون برتقالي-أحمر. يبلغ قطر هذه الركام حوالي XNUMX نانومتر عندما تكون مكونات المحفز ومركبات اللون بنفس الحجم بشكل أساسي. واختار الباحثون مركبات ذات لون برتقالي-أحمر لأنها تمتص أشعة الشمس في النطاق الأزرق الذي يتمتع بأعلى طاقة. كما تمت دراسة هذه المركبات بشكل صحيح في تجارب سابقة لتطوير عمليات التمثيل الضوئي الاصطناعي. تمكن الباحثون من بناء مصفوفة يتم فيها ترتيب المركبات الملونة حول المركز الحفاز بفاصل زمني يسمح بحدوث التفاعل الكيميائي المطلوب. عندما يضرب الضوء المرئي مركب الصبغة، فإن طاقته تثير الإلكترونات الموجودة في المركب، ويمكن لهذه الإلكترونات، بمساعدة المحفز، أن تتسبب في إذابة الماء للحصول على الأكسجين الحر.

ويقول الباحث: "إن كل منطقة تحفيزية من ذرة الإيريديوم قادرة على إجراء تفاعل الأكسدة هذا بمعدل 50 مرة في الثانية". "هذا المعدل أسرع بحوالي ثلاثة أضعاف من أفضل المحفزات الاصطناعية، ويمكن مقارنته بمعدل تحفيز النظام الضوئي II في عمليات التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء." النظام الضوئي من النوع الثاني هو اقتران البروتين في النباتات القادرة على أكسدة الماء وبدء عملية التمثيل الضوئي بأكملها. قام الباحثون بربط مجموعتهم الجديدة بأنود أكسيد التيتانيوم وكاثود البلاتين. وفي الخطوة التالية، قاموا بغمر الأقطاب الكهربائية في محلول ملحي، ولكنهم قاموا بفصلها عن بعضها البعض لمنع إعادة توصيل الهيدروجين والأكسجين الناتج. كل ما هو مطلوب الآن لكي يعمل النظام هو شعاع ضوئي يصل إلى أنود أكسيد التيتانيوم مع المصفوفة الحفازة. يشبه هذا النوع من الخلايا تلك التي تنتج الكهرباء (الخلية الإلكتروليتية)، لكن إضافة المصفوفة الحفزية تسمح للتفاعل بتفكيك الماء إلى مكوناته الغازية - الأكسجين والهيدروجين. ويتطلب تفريغ الماء طاقة قدرها 1.23 فولت، إلا أن التكوين الفني للتجربة لا يسمح باستقبال هذه الكمية من الطاقة واشترط الباحثون إضافة حوالي 0.3 فولت من مصدر خارجي. تبلغ كفاءة نظامهم الحالي حوالي 0.3 بالمائة فقط.

يقول الباحث الرئيسي: "إن الطبيعة فعالة بنسبة 1-3 بالمائة فقط في عملية التمثيل الضوئي". "لهذا السبب لا يمكننا أن نتوقع أنه فقط من العشب الموجود في حديقة منزلنا سيكون من الممكن تشغيل منزلنا وسيارتنا. لدى الباحثين مجموعة متنوعة من الأفكار فيما يتعلق بتحسين كفاءة العملية. ويخططون لإجراء تجارب لتحسين كفاءة مركب الصبغة، وتحسين النظام الحفاز، وضبط الترتيب المكاني النسبي لمكونات النظام. بدلًا من المصفوفات الحفزية الكروية، من الممكن أن تسمح ترتيباتها المكانية الأخرى بامتصاص أكبر للحزمة التي تضربها. يمكن للتحسينات في الشكل الهندسي العام للنظام أيضًا تبسيط العملية. يقول الباحث: "في كل مرحلة من العملية هناك عدة خيارات". "السؤال الرئيسي هو كيف يمكن "إجبار" الإلكترونات على السير في المسار المطلوب وعدم إهدار طاقتها دون مساعدة العملية الكيميائية." تعد المسافة الفيزيائية بين المركبات في غاية الأهمية من حيث التحكم في معدل نقل الإلكترون واتجاهها الفعال. ومن خلال تقليل المسافات في المسارات المختلفة وزيادة مسارات أخرى غير أساسية، سيتم نقل عدد أكبر من الإلكترونات في المسار المناسب بحيث يتم استخدام المزيد من طاقتها لتصريف المياه والحصول على الهيدروجين النظيف.

إلى البيان الصحفي للباحثين