يمكن استخدام الهيدروجين كوقود فعال وصديق للبيئة
إن تطوير أنظمة فعالة لفصل الماء إلى مكوناته - الهيدروجين والأكسجين - باستخدام ضوء الشمس، يشكل تحديا علميا تتركز عليه جهود كثيرة، في أنحاء مختلفة من العالم. قد تسمح مثل هذه الأنظمة باستخدام غاز الهيدروجين كوقود نظيف وصديق للبيئة. ومع ذلك، فإن معظم الأنظمة الاصطناعية الموجودة اليوم تفشل في "توصيل البضائع"، لأنها تتطلب استخدام مواد كيميائية لا يمكن إعادة تدويرها. إن النهج الجديد الذي طوره البروفيسور ديفيد ميلشتاين وشركاؤه الباحثون من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان للعلوم يتخذ خطوة مهمة في التعامل مع هذا التحدي - من خلال تطوير نهج جديد "لتكسير" جزيئات الماء. وخلال العمل البحثي الذي نشر في مجلة ساينس العلمية، اكتشف العلماء أيضًا آلية جديدة وغير معروفة لتكوين الروابط الكيميائية بين ذرات الأكسجين، وأوضحوا مراحلها.
إن ربط ذرتي أكسجين ناشئتين عن جزيئات الماء لتكوين غاز الأكسجين هي العملية التي تمثل عنق الزجاجة في تقسيم الماء. لقد اختارت الطبيعة بالفعل طريقها الخاص للتعامل مع المشكلة: فالعملية الضوئية، التي تقوم بها النباتات، هي مصدر كل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي للأرض. على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في فهم عملية التمثيل الضوئي، فإن مسألة كيفية عمل النظام بالضبط ليست واضحة تمامًا. تحاول العديد من المجموعات البحثية حول العالم تطوير أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية، لكن نجاحها محدود إلى حد ما حتى الآن.
يتضمن النهج الجديد الذي طوره علماء معهد وايزمان للعلوم سلسلة من التفاعلات المتعاقبة، مدفوعة بالضوء والحرارة، والتي تؤدي إلى إطلاق الهيدروجين والأكسجين. ويشارك أيضًا في العملية مركب معدني "ذكي" تم تصميمه وتطويره في الأبحاث السابقة التي أجراها الفريق. وهي عبارة عن مجموعة من الجزيئات العضوية، تتوسطها ذرة من معدن الروثينيوم. وفي كل مرحلة من مراحل العملية، يخضع الركام الذكي لتغيرات كيميائية - مما يتيح وجود المرحلة التالية. يقول البروفيسور ميلشتاين: "عندما نعرض الركام الناتج في الخطوة الثالثة والأخيرة للضوء، في درجة حرارة الغرفة، يعود المحفز إلى حالته الأصلية، بحيث يمكن استخدامه مرة أخرى في دورة جديدة من التفاعلات".
في المرحلة الأولى، يؤدي النشاط المشترك للمركز المعدني والجزء العضوي إلى تفكك جزيئات الماء: وجود الركام الذكي في الماء يؤدي إلى كسر الروابط الكيميائية بين الأكسجين والهيدروجين. ترتبط ذرة هيدروجين واحدة بالجزء العضوي من الركام، وترتبط ذرة هيدروجين أخرى وذرة أكسجين (مجموعة هيدروكسيد) بالمركز المعدني. وفي المرحلة التالية من العملية، مرحلة الحرارة، يضاف الماء إلى الخليط ويسخن إلى درجة حرارة 100 درجة مئوية. تؤدي هذه الخطوة إلى إطلاق غاز الهيدروجين من المركم - وهو مصدر محتمل للوقود النظيف - أثناء ربط مجموعة هيدروكسيد إضافية بالمعدن.
وفي المرحلة الثالثة من العملية - مرحلة الضوء - يتكون غاز الأكسجين، وفي النهاية يعود الركام المعدني إلى حالته الأصلية. وهذه نتيجة مفاجئة، لأنه حتى الآن لم يكن من المعروف أنه من الممكن تكوين رابطة بين ذرتي الأكسجين بهذه الطريقة. اكتشف البروفيسور ميلشتاين وأعضاء فريقه أيضًا الآلية غير المعروفة التي تتم بها العملية. وتبين أنه خلال المرحلة الثالثة، يوفر الضوء الطاقة اللازمة لاندماج مجموعتي الهيدروكسيد، وتكوين بيروكسيد الهيدروجين (H2O2). وهذه الرابطة قصيرة العمر، لأنها مادة غير مستقرة تتحلل بسرعة إلى الماء وذرة واحدة من الأكسجين. وفي وقت لاحق، تتحد ذرتان من الأكسجين لتكوين جزيء غاز الأكسجين. "إن عدم الاستقرار النسبي لبيروكسيد الهيدروجين دفع العلماء إلى تجاهل إمكانية وجود هذه المرحلة، معتبرين أنها غير محتملة. لقد أظهرنا أن هذه المرحلة تحدث بالفعل"، كما يقول البروفيسور ميلشتاين. وتمكن العلماء من إثبات أن الرابطة بين ذرتي الأكسجين تكونت داخل جزيء واحد، وليس بين ذرات الأكسجين الناشئة من جزيئات مختلفة - كما كان يعتقد عادة - وأنها نشأت من كتلة معدنية واحدة.
يعد تطوير طرق صناعية فعالة لتحليل جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام ضوء الشمس هدفًا رئيسيًا في مجال أبحاث الطاقة النظيفة والمستدامة. وحتى الآن، تمكن فريق الباحثين بقيادة البروفيسور ميلشتاين من إيجاد آلية من ثلاث خطوات لتخليق الهيدروجين والأكسجين من الماء، والتي تعتمد على استخدام ضوء الشمس ولا تتطلب استخدام مواد كيميائية قابلة للتحلل. والآن يخطط العلماء لتوحيد الخطوات الثلاث في تسلسل واحد، وإنشاء نظام فعال، وهو ما سيقدم للباحثين في مجال الطاقة خطوة أخرى ومهمة في طريقهم لتحقيق هدفهم.
شارك في الدراسة باحث ما بعد الدكتوراه (آنذاك) د. ستيفان كول، وطالب البحث ليونيد شوارزبارد وفني المختبر يهوشوع بن دافيد من مجموعة البروفيسور ميلشتاين في قسم الكيمياء العضوية، إلى جانب د.ليف فاينر، د. ليونيد كونستانتينوفسكي، د. ر. ليندا شمعون ود. مارك أيرون من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية.
تعليقات 7
أثناء قراءة المقالات، ينتابك شعور بأن هنا يأتي الإنجاز العظيم الذي سيغير العالم من النهاية إلى النهاية. ومن الناحية العملية، لا يتم تنفيذ أفكار ونتائج البحث العلمي بشكل يومي. ومن المحبط أنه حتى عُشر الأبحاث، التي لا نعرف ما إذا كانت ستؤتي ثمارها، لم تؤت ثمارها على الإطلاق.
ومن باب التغيير، يوصى ببث مقالات عن الدراسات التي تستخدم يومياً وتكون مفيدة لعامة الناس.
إذا سارت العملية كما هو موصوف وكانت فعالة وعملية، في رأيي المتواضع المذهل سيكون هناك تقدم مثير للإعجاب هنا.
ولكن - على حد علمي، فإن الروثينيوم هو في الواقع بلاتينيوم وهو مادة باهظة الثمن.
إلى 4. يمكن إنتاج حرارة مائة درجة بسهولة وبكميات
إعلانات تجارية تعمل بالطاقة الشمسية دون الحاجة لحرق الوقود.
أنا أتفق معك تمامًا فيما يتعلق بمساهمة علياء الروسية في العلوم والتكنولوجيا.
تبدو مثيرة للاهتمام وواعدة. والسؤال هو ما إذا كان من الممكن إنتاج هيدروجين صافي لاحتياجات الطاقة بعد العملية، أي إذا كانت تكلفة المنتج أعلى من تكلفة النظام (على سبيل المثال، التدفئة بالهيدروجين المنتج من النظام).
علاوة على ذلك، ينبغي الاهتمام بقائمة العلماء والشكر الجزيل لهم بشكل خاص وللعلياء الروسية بشكل عام على جلب هذه العقول العظيمة لنا.
(على افتراض أن اثنين من ليونيد وليف واحد يعكسان العرق بالفعل)
ربما فعلوا ذلك أيضًا….
نقطة:
كن مطمئنا أنهم فعلوا ذلك
لماذا نشر شيء مثل هذا؟
تشغيل وتسجيل براءة اختراع.