تطوير متعدد التخصصات في التخنيون: خلية تنتج الكهرباء والهيدروجين من أوراق السبانخ باستخدام ضوء الشمس

المادة الخام للجهاز هي الماء ومنتجاته هي التيار الكهربائي والهيدروجين والأكسجين. وتعتمد الخلية التي طورها الباحثون على نظام التمثيل الضوئي في النباتات، والذي تم تطويره وإتقانه على مدى ملايين السنين بواسطة آليات التطور وأدى إلى تكوين الحياة على الأرض.

طور الباحثون في التخنيون خلية مبتكرة تنتج الكهرباء والهيدروجين من الماء باستخدام ضوء الشمس - حسبما ذكرت مجلة Nature Communications. إنه جهاز كهروكيميائي ضوئي حيوي يعتمد على أغشية من أوراق السبانخ. المادة الخام للجهاز هي الماء ومنتجاته هي التيار الكهربائي والهيدروجين والأكسجين. وتعتمد الخلية التي طورها الباحثون على نظام التمثيل الضوئي في النباتات، والذي تم تطويره وإتقانه على مدى ملايين السنين بواسطة آليات التطور وأدى إلى تكوين الحياة على الأرض. يقوم هذا النظام بتكسير جزيئات الماء إلى أكسجين وبروتونات تُستخدم لتكوين جزيئات ATP، والتي تعد في الواقع حاملات الطاقة الأساسية في عالم الحيوان والنبات ("وقود" الخلية).

تحدث عملية التمثيل الضوئي بشكل طبيعي في أغشية النباتات. ولتسخيره لصالح إنتاج تيار كهربائي، أضاف الباحثون أيونات الحديد إلى المحلول. تتوسط أيونات الحديد مرور الإلكترونات من الأغشية إلى الدائرة الكهربائية وتمكن من توليد تيار كهربائي في الخلية.

وبدلاً من ذلك، يمكن توجيه التيار الكهربائي لإنتاج غاز الهيدروجين عن طريق إضافة جهد كهربائي من خلية كهروضوئية خلفية. وبهذه الطريقة يمكن تحويل طاقة الإشعاع الشمسي إلى طاقة كيميائية مخزنة في غاز الهيدروجين المتكون في الخلية. ويمكن تحويل هذه الطاقة عند الحاجة إلى حرارة وكهرباء عن طريق حرق الهيدروجين، على غرار حرق الوقود الهيدروكربوني؛ لكن، على عكس حرق الوقود الهيدروكربوني الذي تنبعث منه الغازات الدفيئة (ثاني أكسيد الكربون) إلى الغلاف الجوي ويلوث البيئة، فإن ناتج حرق الهيدروجين هو الماء النظيف، لذلك باختصار هي دورة مغلقة تبدأ بالماء وتنتهي بالماء. ويتيح تحويل وتخزين الطاقة الشمسية في غاز الهيدروجين الذي يمكن أن يكون بديلاً نظيفًا ومستدامًا للوقود الهيدروكربوني.

إن المزيج الفريد بين الخلية الكهروضوئية من صنع الإنسان والأغشية النباتية، التي تمتص ضوء الشمس وتحولها بكفاءة عالية إلى تدفق للإلكترونات، يمهد الطريق لتطوير تقنيات جديدة لإنتاج وقود صناعي نظيف وأخضر من مصادر متجددة: الماء. والطاقة الشمسية.

أجرى البحث طلاب الدكتوراه روي بانهاسي ودان كالمان وجدييل سفر تحت إشراف البروفيسور نعوم أدير من كلية الكيمياء شوليش والبروفيسور غادي شوستر من كلية الأحياء والبروفيسور أفنير روتشيلد من كلية المواد. العلوم والهندسة. وبحسب البروفيسور روتشيلد، "إن ما يميز البحث هو أنه يجمع خبراء بارزين من ثلاث كليات مختلفة في التخنيون، أي من ثلاثة مجالات للمعرفة: علم الأحياء والكيمياء وهندسة المواد. إن الجمع بين (الأوراق) الطبيعية والصناعية (الخلية الكهروضوئية والمكونات الإلكترونية)، والحاجة إلى جعل هذه المكونات تتواصل مع بعضها البعض، هي تحديات هندسية معقدة تتطلب الجمع بين القوى بيننا."
تم إجراء البحث في برنامج نانسي وستيفن جراند للطاقة الداخلية وتم إجراؤه في مختبر الهيدروجين في التخنيون الذي تم إنشاؤه تحت رعاية مؤسسة أديليس وبرنامج الطاقة. تم تمويله من قبل برنامج مراكز التميز التابع للجنة التخطيط والميزانية والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومنحة خاصة من مؤسسة العلوم الثنائية الإسرائيلية الأمريكية (BSF)، والتعاون الألماني الإسرائيلي في المشاريع (DIP).