قام البروفيسور مشنا جاليا مين من كلية شوليك للكيمياء في التخنيون بتطوير محفز مبتكر يحسن بشكل كبير عملية إنتاج الهيدروجين من الماء
يمثل تحلل الماء لإنتاج الهيدروجين تحديًا شغل العديد من المجموعات البحثية حول العالم في العقود الأخيرة. وذلك لأن وقود الهيدروجين هو بديل أخضر وبيئي للوقود الموجود: فهو يتم إنتاجه من مورد رخيص ومتاح - الماء - والمنتج الثانوي للمركبة التي تعمل بالطاقة الهيدروجينية هو أيضا ماء، على النقيض من الدخان الملوث المنبعث من السيارات. المركبات التي تعمل بالبنزين.
في مقال نشر في المجلة تحفيز الطبيعة تقدم البروفيسورة المشاركة جاليا ماعين من كلية شوليك للكيمياء في التخنيون مركبًا جزيئيًا، أو مجموعة اصطناعية من الجزيئات، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة تحلل الماء بالكهرباء. وذلك من خلال المحاكاة الحيوية - وهو مجال هندسي يعتمد على إلهام الطبيعة (الحيوية - الحياة، المحاكاة - التقليد). وفي هذه الحالة تحديدًا، فهو مستوحى من عمليات التمثيل الضوئي في الطبيعة.
التمثيل الضوئي هو عملية طبيعية تطورت أثناء التطور في النباتات والبكتيريا والطحالب. وفي هذه العملية، يتم استخدام الطاقة الشمسية لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى مادة عضوية وأكسجين. وهذه العملية ضرورية للحياة على الأرض، حيث أن جميع الحيوانات غير القادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي، بما في ذلك الإنسان، تتغذى على السلسلة الغذائية التي تبدأ بالبكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. علاوة على ذلك، فإن الأكسجين الذي نتنفسه ينشأ أيضًا من عملية التمثيل الضوئي.
أحد العناصر الأساسية في عملية البناء الضوئي هو المنغنيز ورمزه الكيميائي Mn. مستوحاة من الطبيعة، تم إجراء العديد من المحاولات لتعبئة المنغنيز كعامل محفز في تحليل الماء لإنتاج الهيدروجين - وهي عملية تسمى التحليل الكهربائي للماء. جزيء الماء H2يحتوي O على ذرة أكسجين وذرتين هيدروجين، ويتم تحلله عن طريق تدفق الطاقة الكهربائية. وذلك من خلال الكاثود والأنود - يقوم الكاثود بإعادة تدوير الماء، أي أنه يتبرع له بالإلكترونات ويجذب الأكسجين إليه؛ ويأخذ الأنود منها الإلكترونات ويجذب الهيدروجين إليها. التحديات في هذه العملية كثيرة، حيث أنه في كثير من الحالات يتطلب الأمر استثمار الكثير من الطاقة لبدء العملية. علاوة على ذلك، يتم تدمير العديد من المحفزات في هذه العملية وتؤدي إلى نهايتها.
ومن المتوقع أن يغير المجمع الجزيئي الذي طوره البروفيسور ميشنا مين الوضع. إلى المركب المذكور، وهو في الواقع جزيء معقد يسمى Mn12DH، خصائص فريدة تمنحه العديد من المزايا في تفكيك الماء. وفي التجارب التي أجريت في هذا المجمع وجد أنه ينتج كمية كبيرة من الإلكترونات (التيار الكهربائي) وكمية كبيرة من الأكسجين والهيدروجين، وهذا مع استثمار منخفض نسبيا في الطاقة. وعلى نفس القدر من الأهمية، فهو مستقر، أي أنه لا يتم تدميره بسرعة كما هو الحال مع الجزيئات الأخرى المستخدمة كمحفز. وفقا للبروفيسور مين، "في الطبيعة، خلق التطور غلافًا بروتينيًا حول المنغنيز الذي يعمل على استقراره ويمنع تحلله. مستوحاة من البنية الطبيعية، قمنا بتطوير غلاف عضوي يسمح بذوبان مركب Complexex، الذي يلعب في الماء، ويعمل على استقراره.
معظم الأعمال الموصوفة في المقال قامت بها الطالبة نعمة جلوز كجزء من دراستها لدرجة الماجستير تحت إشراف الأستاذ المشارك معين. تواصل جلوز بحثها حول مجمع مانجان الفريد كجزء من دراسات الدكتوراه. وفي الدراسات الأولية، تمكنت من إظهار أن المجمع قادر على تفكيك الماء عن طريق التعرض للضوء من مصباح بسيط. وبهذه الطريقة سيكون من الممكن إنتاج الأكسجين والهيدروجين بكميات كبيرة بسرعة كبيرة، والفكرة المستقبلية هي الاعتماد على الطاقة الشمسية في هذه العملية دون الحاجة إلى الكهرباء.
وقع الأستاذ المشارك مين في حب مجال الكيمياء في فصل الكيمياء الأول في الصف العاشر "وعرفت على الفور أنني أريد أن أصبح أستاذًا للكيمياء". بعد الجيش، أكملت درجة البكالوريوس في الكيمياء في جامعة تل أبيب (مع مرتبة الشرف)، ودرجة الماجستير والدرجة الثالثة في معهد وايزمان، وما بعد الدكتوراه في جامعة نيويورك (NYU) وجامعة فلوريدا - حيث بدأت البحث في مجمع المنغنيز. منذ عام 2012، ترأست مختبر الكيمياء الحيوية في كلية الكيمياء شوليخ في التخنيون.
للمزيد حول هذا الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
لتر الماء = 1000 كم. كيف تأخذ الضريبة؟ على الأقل محطات توليد الطاقة الصغيرة على مستوى الغسالة. لن يكون الأمر بمثابة وضع الكرزة على رأس الأسد... وبعد ذلك ربما تتجسد النظرة السيئة. محركات تعمل بالماء بنسبة 70 بالمئة.!!!!!
إذا كان جيدًا كما هو مذكور في المقال، حظًا سعيدًا!
نأمل أن نرى في غضون سنوات قليلة سيارات تعمل بتقنية الهيدروجين على طرقات إسرائيل، وحتى القطارات والحافلات والشاحنات.