مواد جديدة ورخيصة لإنتاج وقود الهيدروجين

في مقال نشر في مجلة Science المرموقة، وصف العلماء كيف تمكنوا من الجمع بين المواد الرخيصة المعتمدة على الأكسيد لتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين باستخدام الطاقة الشمسية بكفاءة تحويل تبلغ 1.7%.

إن إنتاج الكهرباء ليس الطريقة الوحيدة التي يمكن من خلالها تحويل أشعة الشمس إلى طاقة عند الطلب. يمكن للشمس أيضًا أن تبدأ تفاعلات كيميائية تنتج وقودًا كيميائيًا، على سبيل المثال الهيدروجين، والذي بدوره يمكنه تشغيل السيارات والشاحنات والقطارات. نجح العلماء الآن في الجمع بين مواد رخيصة تعتمد على الأكسيد لتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين باستخدام الطاقة الشمسية بكفاءة تحويل تبلغ 1.7%، وهو أعلى معدل تم الإبلاغ عنه حتى الآن لنظام كهروضوئي يعتمد على الأكسيد.

التحدي الكبير المتمثل في إنتاج الوقود بمساعدة الطاقة الشمسية هو تكلفة إنتاج أشباه الموصلات المستخدمة لالتقاط أشعة الشمس والمحفزات المستخدمة لإنتاج الوقود نفسه. والمواد الأكثر فعالية المتاحة اليوم لأداء هذه المهمة باهظة الثمن للغاية بحيث لا يمكن إنتاج الوقود بسعر يمكن أن ينافس سعر البنزين. يقول أستاذ الكيمياء كيونج شين تشوي من جامعة ويسكونسن ماديسون: "من أجل تطوير أجهزة إنتاج الوقود الشمسي التي تكون مجدية اقتصاديًا، يجب تخفيض تكلفة المواد نفسها والعمليات بشكل كبير مع تحقيق كفاءة تحويل عالية".

في مقال نشر في مجلة Science المرموقة، وصف العلماء كيف تمكنوا من الجمع بين مواد رخيصة تعتمد على الأكسيد لتقسيم الماء إلى غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين باستخدام الطاقة الشمسية بكفاءة تحويل تبلغ 1.7%، وهو أعلى معدل تم الإبلاغ عنه حتى الآن. لأكاسيد النظام القائم على الكهروضوئية. وصنع الباحثون خلايا شمسية من مادة البزموت فانادات باستخدام طريقة الترسيب الكهربائي - وهي نفس العملية المستخدمة لتغليف المجوهرات بطبقة من الذهب أو لطلاء الهياكل العظمية للسيارات - وذلك لزيادة مساحة سطح المركب إلى معدل غير عادي 32 متر مربع لكل جرام. يوضح الباحث الرئيسي: "بدون معدات متطورة أو درجات حرارة عالية أو ضغوط عالية، تمكنا من إنشاء شبه موصل نانوي يتكون من جزيئات صغيرة ذات مساحة سطحية كبيرة للغاية". "مساحة السطح الأكبر تعني مساحة تلامس أكبر بكثير مع جزيئات الماء، أي تقسيم الماء بشكل أكثر كفاءة." تحتاج مادة البزموت والفانادات إلى القليل من المساعدة من أجل تسريع التفاعل المسؤول عن تكوين الوقود، وهنا يأتي دور بعض المحفزات.

على الرغم من وجود العديد من المجموعات البحثية التي تحاول تطوير أشباه الموصلات الكهروضوئية، والمحفزات الفعالة لتقسيم جزيئات الماء، يوضح الباحث الرئيسي أنه لا يوجد سوى القليل من الإشارات إلى الواجهة بين أشباه الموصلات والمحفز. وتقول: "المشكلة هي أنه يتعين عليك في النهاية تجميعها معًا". "حتى لو كان لديك أفضل أشباه الموصلات وأفضل محفز في العالم، فإن كفاءتها الإجمالية قد تكون محدودة بسبب واجهة محفز أشباه الموصلات." وقد استفاد الباحثون من زوج من المحفزات البسيطة والرخيصة - أكسيد الحديد وأكسيد النيكل - وقاموا بتثبيتهما فوق مادة البزموت والفانادات من أجل الاستفادة من الميزة الكامنة في قوتهما.

يوضح الباحث: "نظرًا لعدم وجود محفز واحد قادر على إنشاء واجهة جيدة مع كل من أشباه الموصلات والماء الذي يعمل ككاشف لدينا، فقد اخترنا تقسيم المهمة إلى جزأين". "إن أكسيد الحديد يخلق واجهة جيدة مع البزموت والفانادات وأكسيد النيكل يخلق واجهة تحفيزية جيدة مع الماء. ولهذا السبب استخدمناهم معًا." يتيح تصميم المحفز المكون من طبقتين التحسين المتزامن لكل من واجهة محفز أشباه الموصلات وواجهة المحفز والماء. يوضح الباحث الرئيسي: "إن الجمع بين هذين الزوجين من المحفزات الرخيصة مع القطب النانوي ذو المساحة السطحية الكبيرة يؤدي إلى ظهور نظام إلكترود ضوئي رخيص يتكون بالكامل من الأكاسيد وبأعلى كفاءة".

وتأمل الباحثة أن تشجع نتائج بحثها المجموعات البحثية الأخرى في العالم على تحقيق التقدم في هذا المجال. وتشير إلى أن "الباحثين الآخرين الذين يختبرون أنواعًا مختلفة من أشباه الموصلات أو المحفزات يمكنهم البدء في استخدام نهجنا لتحديد التركيبات الأكثر فعالية لهذه المهمة".

أخبار الدراسة