إن أنظمة تقسيم المياه الاصطناعية الموجودة اليوم ليست فعالة للغاية، وفي بعض الأحيان يكون فقدان مواد كيميائية إضافية مطلوبًا لتشغيلها بالكامل. وفي هذا السياق، يعد تطوير طرق جديدة وفعالة لتقسيم المياه أمرًا في غاية الأهمية
يعد تطوير أنظمة فعالة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، والانشطار المدفوع بضوء الشمس، من بين أهم التحديات التي تواجه العلم اليوم، وتدعمه القدرة المحتملة وطويلة المدى لغاز الهيدروجين على استخدامه كوقود نظيف ومستدام. وقود. ومع ذلك، فإن الأنظمة الاصطناعية الموجودة اليوم ليست فعالة للغاية، وفي بعض الأحيان يكون فقدان مواد كيميائية إضافية مطلوبًا لتشغيلها بالكامل. وفي هذا السياق، يعد تطوير طرق جديدة وفعالة لتقسيم المياه أمرًا في غاية الأهمية.
والآن، يقدم النهج الفريد الذي طوره البروفيسور ديفيد ميلستين وزملاؤه من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان، خطوة مهمة في التغلب على هذا التحدي. وخلال بحثهم، أظهر الفريق نوعًا جديدًا من الترابط الكيميائي بين ذرات الأكسجين، بل وتمكن من تحديد الآلية المسؤولة عنه. في الواقع، هو إنتاج الأكسجين الغازي (الجزيئي) من خلال خلق رابطة كيميائية بين ذرتي أكسجين تنشأ من جزيئات الماء، وهي نفس الجزيئات التي شكلت في السابق "عنق الزجاجة" لعمليات تجزئة الماء. وقد نشرت نتائج البحث مؤخرا في مجلة العلوم المرموقة.
الطبيعة، باستخدام طريق مختلف تمامًا، طورت عملية فعالة للغاية: التمثيل الضوئي - الذي تقوم به النباتات - وهو مصدر كل الأكسجين الموجود على الأرض. على الرغم من التقدم الكبير في فهم عمليات ومكونات عملية التمثيل الضوئي، إلا أن الفهم الكامل لهذا النظام لا يزال غير موجود. لقد تم استثمار جهود واسعة النطاق في جميع أنحاء العالم في تطوير أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية القائمة على أدوات التوصيل المعدنية المستخدمة كمحفزات - ولكن نجاح هذه الأنظمة لا يزال ضئيلًا للغاية.
وينقسم النهج الجديد الذي تم تطويره مؤخرًا في معهد وايزمان إلى سلسلة من التفاعلات، تؤدي إلى إطلاق الهيدروجين والأكسجين نتيجة لمراحل متتالية مدفوعة بالحرارة والطاقة الضوئية، ويتوسطها مكون فريد من نوعه - وهو اقتران معدني خاص تم تطويره بواسطة مجموعة ميلستين في دراسة سابقة. علاوة على ذلك، فإن الثنائي الذي طوروه - وهو ثنائي معدني جوهره ذرة الروثينيوم - هو ثنائي "ذكي" يتعاون فيه كل من المركز المعدني والمجموعات العضوية المرتبطة به معًا عند تقسيم جزيئات الماء.
اكتشف الفريق أنه عند خلط الاتحاد مع الماء، تنكسر الروابط الكيميائية بين الهيدروجين والأكسجين، عندما ترتبط ذرة هيدروجين بالجزء العضوي بينما ترتبط الذرة الأخرى مع ذرة أكسجين (معًا مجموعة الهيدروكسيل، OH) إلى ذرة المعدن .
توفر هذه النسخة المعدلة من القابض الأساس للمرحلة التالية من العملية - "مرحلة الحرارة". عندما يتم تسخين محلول الماء إلى مائة درجة مئوية، يبدأ إطلاق غاز الهيدروجين من أداة التوصيل - الهيدروجين الذي يعد مصدرًا للوقود النظيف.
ومع ذلك، فإن الجزء الأكثر إثارة للاهتمام هو المرحلة الثالثة "مرحلة الضوء"، كما يوضح ميلستين. "عندما قمنا بتعريض هذا الاتحاد الثالث للضوء في درجة حرارة الغرفة، لم ينبعث غاز الأكسجين فحسب، بل عاد الاتحاد المعدني إلى حالته الأصلية بحيث يمكن إعادة تدويره لمزيد من التفاعلات من هذا النوع."
وتكون هذه النتائج جديرة بالملاحظة أكثر إذا تذكرنا أن إنشاء رابطة كيميائية بين ذرتي أكسجين بعد اقتران معدني صناعي هو حدث نادر للغاية، وحتى اليوم لم يكن من الواضح ما إذا كان من الممكن حدوثه بالفعل. بالإضافة إلى ذلك، نجحت مجموعة ميلشتاين أيضًا في تحديد آلية غير مسبوقة ومبتكرة لهذه العملية. وأشارت تجارب إضافية إلى أنه خلال المرحلة الثالثة، يوفر الضوء الطاقة اللازمة التي تتسبب في اتحاد مجموعتي الهيدروكسيل معًا لتكوين بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، الذي يتحلل بسرعة إلى ذرة أكسجين وجزيء ماء. "نظرًا لأن بيروكسيد الهيدروجين يعتبر مركبًا غير مستقر، فقد تجاهل العلماء دائمًا هذه المرحلة لأنهم اعتبروها غير محتملة؛ "لكننا أثبتنا خلاف ذلك"، يوضح ميلستين. علاوة على ذلك، قدم الفريق دليلا يوضح أن الرابطة بين ذرتي الأكسجين تكونت في نفس الذرة - وليس بين ذرات أكسجين ناشئة عن ذرات منفصلة كما كانوا يعتقدون حتى الآن - وأن أصل هذه الرابطة هو نفسه مركز معدني.
يعد اكتشاف محفز صناعي فعال لتحليل الماء باستخدام الطاقة الضوئية إلى أكسجين وهيدروجين هدفا رئيسيا في البحث عن مصادر الطاقة النظيفة والمتجددة. وحتى الآن، أثبتت مجموعة ميلشتاين آلية إنتاج الأكسجين والهيدروجين من الماء دون الحاجة إلى فقدان مواد كيميائية إضافية، وذلك من خلال خطوات فردية باستخدام الضوء. وفي الخطوة التالية، يخطط الباحثون لجمع هذه الخطوات معًا لإنشاء نظام حفاز فعال من شأنه أن يعزز الأبحاث المكثفة التي تُجرى في هذا المجال المهم من الطاقات البديلة.
