مادة جديدة تزيد 10 أضعاف كفاءة عملية التحفيز الضوئي لإنتاج الهيدروجين من الماء

تقارير مجلة العلوم (27 فبراير 2015) عن اختراق في مجال تخزين الطاقة المتجددة: مادة محفزة جديدة، تمكن من إنتاج الهيدروجين بطريقة رخيصة وفعالة ومستقرة مع مرور الوقت

نشرت مجلة Science (27 فبراير 2015) تقريرًا عن اختراق في مجال تخزين الطاقة المتجددة: مادة محفزة جديدة، تتيح إنتاج الهيدروجين بطريقة رخيصة وفعالة ومستقرة مع مرور الوقت.

يعتبر الهيدروجين وقودا مستقبليا واعدا لأنه يتم إنتاجه من الماء المتوفر دائما، ولأن هناك اليوم بالفعل تقنيات تسمح باستخدامه (على سبيل المثال في قيادة السيارة) دون أن يصاحبه تلوث ودون انبعاث غازات دفيئة. ولذلك فإن جاذبيتها مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية (النفط والفحم) وأيضا مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة واضحة. ولهذا السبب يتم استثمار مليارات الدولارات في الولايات المتحدة وحدها في برامج مثل مبادرة وقود الهيدروجين، والتي تهدف إلى تطوير تقنيات إنتاج واستخدام الهيدروجين.

في إنتاج الهيدروجين من خلال التحفيز الضوئي، يتم إذابة مسحوق التحفيز الضوئي في الماء، والذي عندما يتعرض لأشعة الشمس يكسر جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. إن المحفزات الضوئية الموجودة لها عيوب في ثلاثة جوانب: السعر المرتفع، وانخفاض كفاءة التحويل (أي الاستخدام غير الفعال للطاقة الشمسية)؛ وعدم استقرار العملية (تتوقف المادة عن العمل بعد بضع ساعات).

ترأس البروفيسور أشعيا ليبشيتز من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون، وزملاؤه البروفيسور شوت تونغ لي وتشنهوي كانغ من جامعة سوتشو في الصين، فريق بحث صيني قام بتطوير محفز ضوئي جديد. وهي عبارة عن بلورات من الكربون النيتروجيني، حيث يتم احتجاز بلورات الكربون النانومترية. وتبين أن مزايا هذه المادة تتجلى في الجوانب الثلاثة المذكورة أعلاه: التكلفة والكفاءة والاستقرار.

يعمل المحفز الضوئي الجديد على مرحلتين: (1) تحلل الماء في ضوء الشمس إلى بيروكسيد الهيدروجين والهيدروجين بواسطة الكربون النيتروجيني؛ (2) تحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى الماء والأكسجين بواسطة بلورات الكربون النانومترية. ولهذه البلورات دور آخر وهو تحسين امتصاص أشعة الشمس بواسطة المحفز الضوئي، خاصة في الأطوال الموجية التي يكون فيها إشعاع الشمس في أقصى حد له (المدى البرتقالي).

يُظهر المحفز الضوئي الجديد كفاءة تحويل أعلى بـ 10 مرات (وأكثر) من كفاءات التحويل للمحفزات الضوئية الموجودة. تظهر دراسة فنية اقتصادية بدأتها وزارة الطاقة الأمريكية أن استخدام محفز ضوئي بهذه الكفاءة في استخدام الطاقة (2٪) يتيح إنتاج الهيدروجين بتكلفة 6 دولارات لكل كيلوغرام من الهيدروجين. وهذا السعر قريب جداً من السعر المستهدف الذي حددته الوزارة وهو 4 دولارات للكيلوغرام الواحد.

ويقول البروفيسور ليفشيتز: "إن الحد الأقصى للكفاءة النظرية هو 15%، لذلك لا يزال هناك مجال كبير لتحسين الكفاءة وخفض التكلفة، ولكن ليس هناك شك في أننا سنخطو خطوة دراماتيكية للغاية في هذا الاتجاه".