نجح علماء من المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في تغيير التركيب الذري للطبقة السطحية من البلورات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم، وبالتالي تطوير محفز أكثر متانة وكفاءة من جميع المواد الأخرى المستخدمة اليوم للاستفادة من الطاقة الشمسية لإنتاج الطاقة الشمسية. الهيدروجين من الماء.
إن المحفز الضوئي الخاص بهم، والذي يعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية الناتجة عن الضوء، هو الأول الذي يمتلك استقرارًا وكفاءة غير مسبوقين، وهي خصائص تجعله مرشحًا رائدًا للاستخدام في عدد من تقنيات الطاقة النظيفة.
وينبغي أن يوفر المحفز وسيلة لإنتاج الهيدروجين بدون تلوث، وهو الغاز الذي يمكن استخدامه كحامل للطاقة في خلايا الوقود. تعتبر خلايا الوقود اليوم بديلاً مناسبًا لمحركات الاحتراق في المركبات. ومع ذلك، يوجد الهيدروجين الجزيئي على الأرض بتركيزات صغيرة فقط ومن الضروري استخراجه من مصادر أخرى مثل الغاز الطبيعي أو الماء - وهو الإنتاج الذي يتضمن عمليات تستهلك كميات كبيرة من الطاقة، وتشكل هذه العمليات عوائق أمام التطبيق الواسع النطاق هذه التكنولوجيا.
يقول صامويل ماو، العالم في قسم تقنيات الطاقة البيئية في مختبر بيركلي: "نحن نحاول إيجاد طرق أفضل لإنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام الإشعاع الشمسي". "في هذا البحث، تمكنا من إدخال اضطراب في بلورات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية، وهي خاصية تعمل على تحسين قدرتها على امتصاص الإشعاع الضوئي وكفاءتها في إنتاج الهيدروجين من الماء."
لاحظ الباحثون أن البلورات النانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم، وهي مادة شبه موصلة، تُستخدم كمحفزات ضوئية لتسريع التفاعلات الكيميائية، مثل استخدام الطاقة من الشمس لتزويد الإلكترونات التي تقسم الماء إلى غازي أكسجين وهيدروجين. على الرغم من ثباته، إلا أن ثاني أكسيد التيتانيوم ليس فعالًا جدًا كمحفز ضوئي. لقد حاول العلماء على مر السنين تحسين فعاليته من خلال الإدخال المتعمد للعدوى وكذلك من خلال إدخال تغييرات أخرى.
استخدم الباحثون من مختبر بيركلي نهجا جديدا. بالإضافة إلى الإدخال المتعمد للشوائب، فقد تمكنوا من إدخال الفوضى في البنية الشبكية المنظمة والمرتبة تمامًا للطبقة السطحية من البلورات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم. تم تقديم هذا الاضطراب من خلال عملية الهدرجة (إضافة ذرات الهيدروجين إلى الجزيء).
والنتيجة التي تم الحصول عليها هي أول بلورة نانوية يتم تعطيلها عمدًا على الإطلاق. وقد لوحظ بسهولة أحد التغييرات في المادة الجديدة: تحول بلورات ثاني أكسيد التيتانيوم البيضاء النانوية إلى اللون الأسود، وهي علامة على أن الاضطراب المتعمد الذي أدخل على المادة أدى إلى امتصاص الأشعة تحت الحمراء.
وقام الباحثون بغمر البلورات النانوية الجديدة في الماء وتعريضها لأشعة الشمس. ووجدوا أن 22% من الإشعاع الذي امتصته المحفزات الضوئية تم تحويله إلى غاز الهيدروجين - وهو معدل تحويل أكبر بحوالي مائة مرة من معظم المحفزات الضوئية لأشباه الموصلات المتوفرة اليوم. بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن المادة لا تتحلل خلال فترة تجريبية مدتها XNUMX يومًا، وهي نتيجة تشير إلى أن المادة قد تكون مناسبة للاستخدامات العملية.
ترجع الكفاءة غير المسبوقة إلى حد كبير إلى قدرة المحفز الضوئي على امتصاص الأشعة تحت الحمراء، وهي القدرة التي تجعل المادة أول محفز ضوئي على الإطلاق من نوع ثاني أكسيد التيتانيوم قادر على امتصاص الإشعاع عند هذه الأطوال الموجية. تمتص المادة الجديدة أيضًا إشعاع الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. في المقابل، فإن معظم المحفزات الضوئية من نوع ثاني أكسيد التيتانيوم تمتص الأشعة فوق البنفسجية فقط وتلك التي تحتوي على عيوب هيكلية قد تمتص إشعاع الضوء المرئي. وتشكل الأشعة فوق البنفسجية حوالي عشرة بالمائة فقط من مصدر الطاقة الشمسية.
يقول الباحث والأستاذ: "كلما زادت الطاقة التي يمكن امتصاصها من الشمس باستخدام المحفز الضوئي، زاد عدد الإلكترونات التي يمكن استخدامها للتفاعل الكيميائي - وهي خاصية تجعل ثاني أكسيد التيتانيوم الأسود مادة مهمة للغاية". الهندسة في جامعة كاليفورنيا، بيركلي.
وأظهرت الحسابات النظرية التي أجراها الباحثون أن الاضطراب، على شكل عيوب هيكلية في الشبكة وذرات الهيدروجين، يسمح للفوتونات الممتصة من الخارج بإثارة الإلكترونات التي بدورها تكون قادرة على القفز عبر فجوة لا تكون ممكنة عادة في الحالة الأصلية. بمجرد مرور الإلكترونات بهذه الفترة، تصبح قادرة على توفير الطاقة اللازمة للتفاعل الكيميائي الذي يتم من خلاله تقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين. "من خلال الإدخال المتعمد للاضطراب من نوع محدد للغاية، يتم إنشاء حالات إلكترونية جديدة، مما يتيح تقليل استهلاك الطاقة للعملية بأكملها"، يوضح الباحث. "وهذا يجعل من الممكن الاستفادة من مجال الأشعة تحت الحمراء في ضوء الشمس لصالح تحسين قدرة التحفيز الضوئي للمادة."
